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第1章 热障涂层系统1

1.1 热障涂层系统的基本结构2

1.2 热障涂层制备方法4

1.2.1 等离子喷涂技术4

1.2.2 超音速火焰喷涂（HVOF）技术10

1.2.3 冷喷涂（CS）技术11

1.2.4 电子束物理气相沉积（EB-PVD）技术12

1.2.5 等离子喷涂物理气相沉积（PS-PVD）技术15

1.3 热障涂层系统失效模式16

1.3.1 等离子喷涂热障涂层的典型失效模式18

1.3.2 电子束物理气相沉积热障涂层的典型失效模式19

参考文献21

第2章 热障涂层系统的高温氧化行为24

2.1 金属氧化热力学25

2.1.1 金属氧化热力学判据25

2.1.2 表面氧化物自由能28

2.1.3 各种金属和氧化物的体积比（PBR）31

2.2 热生长氧化物（TGO）的形成与生长33

2.2.1 热生长氧化物的结构33

2.2.2 尖晶石氧化物的生长36

2.2.3 Al2O3结构对TGO生长的影响42

2.3 不同方法制备的MCrAlY粘结层的高温氧化及TGO生长45

2.3.1 APS喷涂粘结层的高温氧化及TGO生长45

2.3.2 LPPS和VPS喷涂粘结层的高温氧化及TGO生长49

2.3.3 HVOF粘结层的高温氧化及TGO生长53

2.3.4 CGDS或CS粘结层的高温氧化及TGO生长57

2.3.5 常用合金粘结层制备工艺的比较60

2.3.6 TBC的预氧化处理62

2.3.7 EB-PVD粘结层的高温氧化及TGO生长65

2.4 超音速等离子喷涂MCrAlY粘结层的TGO生长67

2.4.1 超音速等离子喷涂简介67

2.4.2 超音速等离子喷涂MCrAlY粘结层68

2.4.3 热震过程中MCrAlY粘结层的TGO生长72

2.4.4 恒温氧化过程中MCrAlY粘结层的TGO生长规律75

2.5 热障涂层系统失效模型81

2.5.1 Al耗尽模型81

2.5.2 Al2O3膜耗尽模型85

2.6 小结89

参考文献92

第3章 热障涂层制备过程中的热应力99

3.1 热障涂层系统中的热应力99

3.2 热障涂层系统制备过程中热应力的理论模型100

3.2.1 Stoney公式100

3.2.2 多层梁模型101

3.3 热障涂层系统制备过程各个阶段的热应力104

3.3.1 分析模型104

3.3.2 TBCs制备过程中各个阶段的热应力112

3.4 热障涂层系统冷却过程中的热应力116

3.4.1 分析模型与方法116

3.4.2 热障涂层系统在制备过程中冷却阶段的热应力119

3.5 喷涂速度和对流换热对TBC制备过程冷却阶段热应力的影响122

3.5.1 分析模型及问题的解122

3.5.2 实时热应力演化125

3.5.3 喷涂速度对热应力的影响128

3.5.4 陶瓷层表面与外界环境间的对流换热的影响131

3.6 小结133

参考文献133

第4章 热障涂层系统中的热生长应力137

4.1 TGO高温生长应力及其影响因素137

4.2 TGO生长应力的率无关理论141

4.2.1 夹杂模型弹性解141

4.2.2 球对称模型基本方程及其弹塑性解146

4.2.3 其他模型154

4.3 凸形TGO局部应力155

4.4 凹形TGO局部应力166

4.5 TGO生长应力的演化176

4.5.1 TGO生长局部应力演化模型177

4.5.2 局部应力演化基本特征182

4.5.3 其他理论模型201

4.6 TGO生长应力的有限元数值分析203

4.6.1 TGO生长局部应力演化203

4.6.2 TGO层蠕变影响211

4.7 TGO生长应力的热-力-化学耦合分析215

4.8 TGO生长应力诱发的微裂纹萌生机制219

4.8.1 凸形TGO附近微裂纹的萌生机制219

4.8.2 凹形TGO附近微裂纹的萌生机制220

4.8.3 凸凹形TGO连接区域微裂纹的萌生与会聚221

4.9 小结222

参考文献224

第5章 热障涂层系统中的裂纹问题231

5.1 热障涂层中的裂纹形式231

5.2 热障涂层中的表面裂纹232

5.2.1 表面裂纹模型232

5.2.2 表面裂纹密度的影响237

5.2.3 曲界面形貌的影响241

5.2.4 底层约束的效应244

5.2.5 TGO生长的影响247

5.3 热障涂层中的界面裂纹253

5.3.1 界面裂纹模型253

5.3.2 界面裂纹能量释放率255

5.3.3 混合氧化物致界面脱粘263

5.3.4 TGO蠕变的影响270

5.3.5 界面多裂纹问题273

5.4 热障涂层中的表／界面裂纹间的竞争277

5.4.1 裂纹扩展路径选择判据277

5.4.2 材料失配的影响278

5.4.3 表面裂纹间距对界面裂纹的影响283

5.5 小结286

参考文献287

第6章 梯度热障涂层中的裂纹问题294

6.1 梯度涂层结构的基本概念294

6.2 热障涂层新材料体系298

6.2.1 稀土锆酸盐299

6.2.2 六铝酸盐299

6.2.3 钙钛矿300

6.3 双陶瓷涂层热障涂层系统制备过程中的热应力301

6.3.1 模型建立302

6.3.2 数值分析308

6.3.3 DCL-TBCs系统制备过程中产生的热应力309

6.3.4 总的热应力310

6.3.5 预热处理的影响311

6.3.6 YSZ与LZ层厚度比的影响312

6.4 层级热障涂层中的裂纹问题314

6.4.1 双陶瓷层热障涂层中的表面裂纹316

6.4.2 双陶瓷层热障涂层中的界面裂纹320

6.4.3 双陶瓷层热障涂层失效模式322

6.4.4 双陶瓷层热障涂层失效的影响参数分析325

6.5 小结334

参考文献335

第7章 热障涂层系统的烧结与冲蚀损伤341

7.1 涂层烧结现象341

7.1.1 烧结初期实验观测341

7.1.2 烧结中后期实验观测344

7.2 砖块烧结模型344

7.3 圆柱烧结模型348

7.4 楔型烧结模型351

7.5 球壳烧结模型356

7.6 CMAS渗入的连续介质力学分析360

7.6.1 CMAS渗入物理模型360

7.6.2 CMAS渗入引起的涂层宏观等效模量变化362

7.6.3 CMAS诱发的界面脱粘364

7.7 CMAS渗入的细观分析367

7.8 热障涂层颗粒冲蚀370

7.8.1 冲蚀实验370

7.8.2 颗粒冲蚀理论模型374

7.8.3 颗粒冲蚀数值分析375

7.9 小结376

参考文献377

第8章 热障涂层强度评价383

8.1 陶瓷层模量测量383

8.2 陶瓷层单轴强度测量385

8.3 陶瓷层双轴强度测量389

8.4 陶瓷层断裂强度测量399

8.5 涂层内应力测量400

8.6 小结402

参考文献402

第9章 热障涂层定量无损检测技术407

9.1 引言407

9.1.1 热障涂层的检测评价现状407

9.1.2 无损检测方法及原理409

9.1.3 多频涡流和电磁超声TBC无损检测方法411

9.2 电磁超声数值模拟方法及其在TBC检测中的应用412

9.2.1 电磁超声检测方法412

9.2.2 电磁超声数值模拟方法414

9.2.3 算法有效性验证418

9.2.4 电磁超声的数值模拟及实例验证421

9.2.5 TBC电磁超声检测的数值模拟426

9.3 基于涡流检测的复杂裂纹定量评价方法432

9.3.1 裂纹二维扫描涡流检测信号高效数值计算方法432

9.3.2 基于共轭梯度和进退法的混合重构算法433

9.3.3 基于二维ECT信号和分段反演策略的应力腐蚀裂纹重构434

9.4 TBC厚度多频涡流定量检测评价研究440

9.4.1 轴对称涡流问题的解析求解方法441

9.4.2 热障涂层厚度涡流检测正问题444

9.4.3 多频涡流TBC厚度检测实验研究449

9.4.4 基于多频涡流逆问题的TBC厚度检测方法454

9.5 小结460

参考文献460

附录A 计算断裂力学方法简介464

A.1 断裂力学概述464

A.2 虚拟裂纹闭合技术（VCCT）465

A.2.1 二维虚拟裂纹闭合技术468

A.2.2 三维虚拟裂纹闭合技术468

A.3 内聚力单元法（CZM）471

A.3.1 Cohesive单元与邻近部件的连接方式472

A.3.2 内聚力单元参数和失效准则474

A.4 扩展有限元法（XFEM）476

A.5 等效积分区域法482

A.6 交互作用积分法487

参考文献489

索引496