热障涂层热震附着力实验

热障涂层热震附着力实验概述

热障涂层（TBCs）常用于航空发动机、燃气轮机等高温部件表面，通过隔绝热量保护基体材料。

热震附着力实验的核心是模拟涂层在反复热冲击下的结合强度稳定性，评估其抗剥落能力 —— 这是衡量涂层使用寿命和可靠性的关键指标，尤其针对高温环境中因热胀冷缩产生的应力破坏。

一、实验原理与核心逻辑

热障涂层通常由陶瓷顶层（如氧化锆）和金属粘结层（如镍基合金）组成，两者与基体材料的热膨胀系数存在差异。

实验通过反复升降温（热震循环）使涂层内部产生热应力，当应力超过涂层与基体的附着力时，涂层会出现开裂、剥落。实验通过观察涂层剥落程度，量化其附着力在热震条件下的保持能力，本质是评估材料体系的热匹配性和界面结合强度。

二、常见实验方法与流程

1. 火焰热震法（经典动态测试）

实验装置：采用丙烷或氢气火焰（温度可达 1000℃以上）对涂层表面进行加热，同时用压缩空气或水对基体背面冷却，形成温度梯度。

操作步骤：

预处理：涂层试样（如金属基体 + 粘结层 + 陶瓷层）表面清洁，固定于夹具上。

热震循环：火焰加热涂层表面至目标温度（如 1100℃），维持数秒至数十秒，然后迅速用冷却介质降温至室温（或特定低温），重复循环直至涂层明显剥落。

观测与记录：每次循环后用显微镜或无损检测（如超声、红外热像）观察涂层表面裂纹扩展和剥落面积，记录失效时的循环次数。

2. 炉内热震法（静态梯度测试）

实验装置：高温炉（如电阻炉、真空炉）与冷却系统结合，试样整体放入炉内加热至设定温度，再取出置于空气中或冷却箱内降温。

特点：温度场均匀性更好，适合模拟稳态热冲击，但无法完全复现火焰法的剧烈温度梯度（如燃气轮机叶片表面的局部高温区）。

三、实验关键影响因素

温度参数：

加热温度：越高则热应力越大，涂层越易失效（如氧化锆涂层常用 1050℃~1200℃模拟发动机工况）；

升降温速率：快速升温 / 降温（如火焰法）会加剧热应力，更易暴露涂层缺陷。

涂层结构：

陶瓷层厚度：过厚会增加内部应力（因温差更大），通常控制在 0.2~0.5mm；

粘结层粗糙度：适当粗糙的界面可增加机械锁合，提升附着力，但过度粗糙可能引发应力集中。

材料匹配性：

热膨胀系数差异：陶瓷层（氧化锆）与金属基体（如镍合金）的热膨胀系数相差约 50%，粘结层（如 NiCoCrAlY）需作为 “缓冲层” 减小差异；

抗氧化性：粘结层需具备良好抗氧化能力，避免高温下氧化层增厚导致体积膨胀，破坏界面结合。

四、实验结果的评估与应用

失效判据：

定量指标：剥落面积占比（如超过 10% 或 20% 视为失效）、裂纹密度（单位面积裂纹长度）；

定性指标：涂层表面开裂形态（网状裂纹、径向裂纹）、剥落模式（分层剥落、块状脱落）。

工程意义：

研发优化：通过实验筛选涂层材料组合（如掺杂 Y₂O₃稳定氧化锆）、调整制备工艺（如电子束物理气相沉积 EB-PVD vs 大气等离子喷涂 APS），提升附着力；

寿命预测：结合热震实验数据，建立涂层失效模型，为航空发动机等设备的维护周期提供依据。

五、热震附着力与涂层失效机制

涂层在热震中的失效通常经历以下过程：

初始裂纹萌生：热应力超过陶瓷层强度，表面出现微裂纹；

裂纹扩展：循环热震中裂纹沿界面或陶瓷层内部延伸，形成贯通缺陷；

涂层剥落：当界面附着力不足以抵抗热应力时，涂层块状脱落，暴露基体。

此外，高温下陶瓷层的相变（如氧化锆从四方相到单斜相的转变，伴随体积膨胀）和粘结层的氧化（形成 Al₂O₃等氧化层）也会加速附着力衰减。

六、实验技术的发展趋势

原位监测：结合红外测温、声发射技术，实时捕捉热震过程中涂层的温度分布和微损伤信号，提升数据精度；

多尺度模拟：通过有限元分析（FEA）结合实验数据，建立涂层 - 基体界面的热应力模型，预测不同工况下的附着力变化，减少实验次数。

热震附着力实验如同 “高温耐力测试”，通过模拟极端工况下的热应力循环，为热障涂层的可靠性提供量化依据，其技术进步直接推动了航空航天等领域高温部件的性能突破。