空气等离子喷涂热障涂层(APS-TBCs)在服役周期与温度作用下的性能退化机制研究

这篇研究系统探讨了空气等离子喷涂热障涂层(APS-TBCs)在极端温度下的性能退化规律，通过盘状试样（残余应力测量）和狗骨试样（力学性能测试）揭示了YSZ陶瓷层(TC)和热生长氧化物层(TGO)的残余应力累积、开裂强度衰减及界面断裂韧性反常升高的协同退化机制，并建立了寿命预测模型，为航空发动机涂层优化提供理论支撑。

　　

Highlight

本研究通过两种特殊设计的试样（盘状试样用于残余应力分析，狗骨试样用于力学性能测试），揭示了传统多孔APS-TBCs的两大核心退化机制：1）YSZ-TC和TGO层中渐进式残余应力累积；2）随服役时间呈现温度依赖性的TC开裂强度衰减。值得注意的是，界面断裂韧性表现出与时间正相关的反常升高趋势，这种特性导致拉伸测试中TC裂纹模式从界面分层向垂直分段转变。

Residual stress in YSZ TC and TGO

图2展示了870°C氧化后YSZ-TC和TGO层的残余应力分布热力图（暖色调=压应力，冷色调=拉应力）。随着氧化时间延长，两层均呈现压缩应力持续累积现象，其中TGO层应力增幅更显著，表明高温氧化会加速应力再分布过程。

Evolutions of TC cracking strength with oxidation services

图11显示TC开裂强度随服役时间呈单调递减趋势：在870°C下从初始328 MPa（100小时）降至278 MPa（1500小时），1050°C时衰减幅度加剧。这种强度退化与TC层微孔洞聚集和烧结效应直接相关。

Conclusion

实验证实APS-TBCs性能退化存在双重驱动：TC层力学性能的不可逆衰减与界面断裂特性的动态演变。基于此建立的残余寿命/强度预测模型，为航空发动机热障涂层的健康监测提供了量化评估工具。