【摘 要】
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热障涂层(TBCs)因其优异的隔热性能在燃气轮机行业中发挥着重要作用。然而,长时间高温服役时陶瓷层(YSZ)内部裂纹非线性快速扩展诱发涂层发生灾变失效,是阻碍燃气轮机热障涂层发展的瓶颈问题。研究发现,YSZ相变是影响裂纹加速扩展的因素之一。因此,本论文采用实验与模拟相结合的方式,研究YSZ相变与裂纹扩展关系,为阐明裂纹非线性扩展提供基础。本文采用X射线衍射仪(XRD)、拉曼(Raman)、扫描电镜
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热障涂层（TBCs）因其优异的隔热性能在燃气轮机行业中发挥着重要作用。然而,长时间高温服役时陶瓷层（YSZ）内部裂纹非线性快速扩展诱发涂层发生灾变失效,是阻碍燃气轮机热障涂层发展的瓶颈问题。研究发现,YSZ相变是影响裂纹加速扩展的因素之一。因此,本论文采用实验与模拟相结合的方式,研究YSZ相变与裂纹扩展关系,为阐明裂纹非线性扩展提供基础。本文采用X射线衍射仪（XRD）、拉曼（Raman）、扫描电镜（SEM）、能谱分析（EDS）等方法研究了梯度热循环过程中裂纹上方YSZ的空间/时间变化属性、裂纹扩展行为,结合裂纹扩展过程中涂层温度场的演变,阐明了YSZ局部加速相变与裂纹加速扩展的相互作用。结果表明,由于YSZ温度具有时间/空间属性,随着热循环次数增加呈不均匀升高,导致其相变和烧结程度因时间/空间属性而不同,从而诱发不均匀的相变应力与侧向应力提升,导致裂纹非线性扩展。其中,纵向开裂深度随脱粘裂纹长度呈对数关系增加;纵向开裂宽度与其深度呈近似线性关系。同时,当YSZ内部出现裂纹时,其上方YSZ区域温度场由于热阻效应发生明显的突变,并随着裂纹尺寸增加发生不均匀升高,导致YSZ不均匀相变加剧,其中YSZ各区域温度和单斜相（M）含量以脱粘裂纹中心上方YSZ表面为中心向四周呈放射性递减趋势。涂层发生脱落失效的临界M相含量约为40%,当含量超过35%时,脱粘裂纹非线性扩展的速率显著增加。相应区域孔隙率变化规律与M相含量相反。二者相互作用使得裂纹扩展速率提升,最终导致涂层失效。
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