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研究背景与意义

随着航空工业的快速发展，航空发动机的性能要求不断提高，尤其是涡轮叶片材料需要承受更高的温度和推重比。传统的镍基高温合金已无法满足这些需求，因此陶瓷基复合材料（Ceramic Matrix Composites, CMC）因其高理论使用温度、低密度和优异的力学性能成为替代材料。然而，CMC在高温服役过程中容易与水蒸气发生水氧腐蚀，导致材料失效。为了延长CMC的服役寿命，环境障涂层（Environmental Barrier Coatings, EBCs）被广泛应用于CMC表面。然而，EBCs在服役过程中由于涂层与基体的热不匹配性，容易发生脱落，导致涂层失效。因此，研究如何优化EBCs的成分与结构，降低应力、提高结合强度和抗氧化性，成为当前研究的热点。

研究目标

本研究旨在通过有限元模拟和实验表征相结合的方法，优化稀土硅酸盐环境障涂层的成分与结构设计，并探究其高温失效机制。具体目标包括： 1. 研究不同稀土硅酸盐材料（Er₂SiO₅、Gd₂SiO₅、Y₂SiO₅、Yb₂SiO₅）作为表面层时的残余应力分布。 2. 探究不同厚度表面层的稀土硅酸盐涂层的残余应力分布。 3. 通过调控粘结层和中间层的厚度，研究涂层内部结构对应力的影响。 4. 研究涂层界面形貌（振幅和波长）对涂层应力的影响。 5. 通过高温氧化和热震实验，探究高温环境下对流系数、服役时间和服役温度对涂层热应力的影响。

研究方法与流程

本研究采用有限元模拟和实验相结合的方法，具体流程如下：

1. 有限元模拟：

   • 建立环境障涂层的有限元模型，模拟不同稀土硅酸盐材料作为表面层时的应力分布。
   • 模拟不同厚度表面层（50 μm、80 μm、110 μm、140 μm、170 μm、200 μm）的应力分布。
   • 调控粘结层和中间层的厚度（60 μm、80 μm、100 μm、120 μm、140 μm、160 μm），研究其对涂层应力的影响。
   • 研究界面形貌（振幅和波长）对涂层应力的影响。
   • 模拟高温环境下对流系数、服役时间和服役温度对涂层热应力的影响。

2. 实验表征：

   • 采用等离子喷涂工艺制备四种稀土硅酸盐涂层（Er₂SiO₅、Gd₂SiO₅、Y₂SiO₅、Yb₂SiO₅）。
   • 对涂层进行X射线衍射（XRD）物相分析、扫描电子显微镜（SEM）微观形貌观察、残余应力测试、硬度测试等。
   • 进行高温氧化和热循环实验，评估涂层的抗氧化性和抗热震性能。

主要结果与结论

1. 不同稀土硅酸盐材料的应力分布：

   • 计算结果表明，Er₂SiO₅和Y₂SiO₅的残余应力明显小于Yb₂SiO₅和Gd₂SiO₅。Er₂SiO₅、Gd₂SiO₅、Y₂SiO₅、Yb₂SiO₅的最大轴向应力分别为167 MPa、191 MPa、165 MPa、294 MPa。
   • 实验结果表明，Y₂SiO₅和Er₂SiO₅的设计方案裂纹较少，应力水平较低（142.6 MPa ± 4 MPa），与模拟结果一致。

2. 粘结层和中间层厚度对应力的影响：

   • 粘结层和中间层厚度的增加使得涂层的应力减小，其中径向应力和剪切应力基本保持不变，轴向应力减小约20-30 MPa。

3. 界面形貌对应力的影响：

   • 界面振幅增加18 μm，界面应力增加约45 MPa；界面波长增加73 μm，界面应力减少约15 MPa。较大的界面振幅和较小的界面波长有助于改善界面应力。

4. 高温环境下对流系数、服役时间和服役温度的影响：

   • 随着对流系数和服役时间的增加，涂层热应力增加，分别在达到200 W/(m²·K)和500 s时应力不再增加。服役温度的增加会进一步增加涂层的应力。
   • 涂层的最大轴向应力和剪切应力主要分布于涂层表面以及表面层与中间层的界面上，诱发涂层表面皲裂和界面脱落，导致涂层服役寿命降低。

5. 高温氧化和热震实验结果：

   • 在高温氧化过程中，Yb₂SiO₅涂层表面层存在垂直裂纹，贯穿整个表面层并止于中间层。Yb₂SiO₅/Yb₂Si₂O₇界面产生横向界面裂纹，并生成厚度约10-15 μm的热生长氧化物（TGO），导致界面疏松，降低涂层质量。

研究意义与价值

本研究通过有限元模拟和实验相结合的方法，系统研究了稀土硅酸盐环境障涂层的成分与结构设计，揭示了涂层在高温环境下的失效机制。研究结果为优化EBCs的设计提供了重要的理论依据，具体体现在以下几个方面： 1. 科学价值：通过有限元模拟，揭示了不同稀土硅酸盐材料、涂层厚度、界面形貌以及服役环境对涂层应力的影响规律，为涂层的优化设计提供了理论支持。 2. 应用价值：研究结果为开发高强度、低应力、长寿命的环境障涂层提供了实验依据，有助于提高航空发动机涡轮叶片的服役寿命和可靠性。 3. 创新性：本研究首次将有限元模拟与实验表征相结合，系统研究了稀土硅酸盐涂层的应力分布和失效机制，为EBCs的研究提供了新的思路和方法。

研究亮点

1. 重要发现：Er₂SiO₅和Y₂SiO₅作为表面层时，涂层的残余应力较低，裂纹较少，具有较好的抗高温氧化性能。
2. 方法创新：采用有限元模拟与实验相结合的方法，系统研究了涂层的应力分布和失效机制，提高了研究效率和准确性。
3. 应用前景：研究结果为开发高性能、长寿命的环境障涂层提供了重要的理论指导，具有广阔的应用前景。

结论与展望

本研究通过有限元模拟和实验表征相结合的方法，系统研究了稀土硅酸盐环境障涂层的成分与结构设计，揭示了涂层在高温环境下的失效机制。研究结果表明，Er₂SiO₅和Y₂SiO₅作为表面层时，涂层的残余应力较低，裂纹较少，具有较好的抗高温氧化性能。未来研究可以进一步优化涂层的界面形貌和服役环境，探索更多稀土硅酸盐材料的应用潜力，为航空发动机涡轮叶片的长寿命服役提供更可靠的材料保障。