燃?xì)廨啓C(jī)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率受到高溫氧化氣氛、腐蝕性雜質(zhì)、熱應(yīng)力的影響會(huì)顯著降低，研究表明，提高燃?xì)廨啓C(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度，減少熱損失可以有效提高工作效率。隨著技術(shù)發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)的工作溫度已經(jīng)超過1600 ℃甚至可以高達(dá)2000 ℃以上。但用于燃?xì)廨啓C(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫部分的高溫合金工作溫度通常不高于1150 ℃，熱障涂層（TBC）通過延緩高溫部件降解的速度，能夠使發(fā)動(dòng)機(jī)在遠(yuǎn)高于高溫合金基材的熔化溫度下工作，從而提高燃?xì)廨啓C(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率。
圖1 飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)高溫葉片中TBC組成
熱障涂層在長時(shí)、高溫、高壓、鹽霧環(huán)境下極易發(fā)生腐蝕與降解，最終導(dǎo)致材料失效。針對(duì)TBC材料、服役工況和損傷形式的特殊性，傳統(tǒng)的性能評(píng)估和損傷檢測(cè)方法在性能和檢測(cè)效率上均具有一定局限性，亟需發(fā)展針對(duì)TBC的新型檢測(cè)技術(shù)，以確保TBC材料在使用過程的安全性與可靠性。
熱障涂層體系結(jié)構(gòu)
TBC系統(tǒng)主要由陶瓷層（TC）、粘結(jié)層（BC）和高溫合金基底組成，其中熱生長氧化物（TGO）是在TBC使用過程中由于粘結(jié)層發(fā)生氧化反應(yīng)生成而存在于TC層與BC層之間。
圖2 典型TBC結(jié)構(gòu)
陶瓷層作為熱障涂層最外部結(jié)構(gòu)， 主要目的為降低高溫合金基底的表面溫度。用于陶瓷層的材料必須具備低熱導(dǎo)率、高熱膨脹系數(shù)、優(yōu)異的斷裂韌性和耐腐蝕性，以保證陶瓷層具有良好的隔熱能力，降低與基底之間的熱失配應(yīng)力，同時(shí)使高溫合金基底免受外界環(huán)境的復(fù)雜侵蝕。
陶瓷層材料主要為7~8wt%氧化釔穩(wěn)定氧化鋯（YSZ），但隨著推重比的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)口溫度不斷升高，傳統(tǒng)YSZ在高于1200 ℃下會(huì)發(fā)生相變，已無法滿足現(xiàn)代發(fā)展的需要，為了提高TC層的高溫?zé)岱€(wěn)定性，近年來相繼開發(fā)出摻雜YSZ、稀土酸鹽以及高熵陶瓷滿足發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口溫度的需要。
粘結(jié)層位于高溫基底與陶瓷層之間，主要作用為提高TC層與高溫合金基底之間的粘附力，減少TC層和高溫合金之間的熱失配應(yīng)力。用于粘結(jié)層的材料必須具備高熱膨脹系數(shù)、高溫?zé)岱€(wěn)定性，能夠有效緩解熱障涂層與金屬基體之間的熱應(yīng)力，保持材料化學(xué)成分與內(nèi)部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，防止在使用過程中發(fā)生反應(yīng)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化。
常用的粘結(jié)層材料為NiAl和MCrAlY，但在使用過程中隨著Al的不斷消耗，最終會(huì)引起粘結(jié)層形狀變化，導(dǎo)致涂層失效。為了提高粘結(jié)層的使用壽命，可以對(duì)其進(jìn)行稀土元素?fù)诫s或采用高熵合金作為粘結(jié)層的主要材料。
當(dāng)TBC暴露于高溫環(huán)境中，氧會(huì)透過TC層與BC層中的Cr、Ni、Al發(fā)生反應(yīng)，在TC與BC之間形成一層致密的TGO層。TGO的主要成分為α-Al2O3，可以有效阻止金屬基體被氧化，TGO的生長模式?jīng)Q定了熱障涂層的耐久性，且當(dāng)其厚度達(dá)到8~12 μm時(shí)，會(huì)嚴(yán)重影響TBC的使用壽命。
圖3 TBC的組成基元
熱障涂層失效行為及機(jī)理
TBC在高溫高壓復(fù)雜環(huán)境的服役條件下運(yùn)行，會(huì)受到熱、力和化學(xué)的多場耦合作用，TBC會(huì)產(chǎn)生裂紋、氣孔，在使用過程中TBC會(huì)出現(xiàn)開裂、剝落、掉塊等現(xiàn)象，最終導(dǎo)致TBC材料失效。
失效行為主要分為以下幾種：層表面出現(xiàn)開裂，包括因熱循環(huán)產(chǎn)生的網(wǎng)狀微裂紋及應(yīng)力集中導(dǎo)致的貫穿性裂紋；涂層與粘結(jié)層界面處發(fā)生分層剝離，多由界面熱失配或氧化層生長引發(fā)；涂層局部發(fā)生剝落，可能因機(jī)械沖擊、熱震或界面結(jié)合弱化所致；涂層出現(xiàn)磨損損耗，在高速氣流或顆粒沖刷下表面材料逐漸流失；涂層內(nèi)部產(chǎn)生孔洞或疏松區(qū)域，影響其隔熱性能與結(jié)構(gòu)完整性，這些失效行為可單獨(dú)或協(xié)同發(fā)生，最終導(dǎo)致涂層功能退化或失效。
圖4 熱障涂層失效行為示意圖
TBC降解或失效的原因主要有殘余應(yīng)力、高溫?zé)Y(jié)效應(yīng)、CMAS腐蝕、熔鹽腐蝕、TGO層非控生長等。
殘余應(yīng)力
熱障涂層的殘余應(yīng)力主要包括淬火應(yīng)力、相變產(chǎn)生的應(yīng)力以及熱失配應(yīng)力，殘余應(yīng)力的存在會(huì)使涂層與基體之間的結(jié)合強(qiáng)度降低，使得TBC在熱循環(huán)過程中，涂層發(fā)生剝落，導(dǎo)致涂層失效。在高溫下，殘余應(yīng)力與熱應(yīng)力兩者共同作用下，會(huì)使得TBC材料局部應(yīng)力過大，引發(fā)裂紋的萌生與擴(kuò)展，最終導(dǎo)致TBC失效。
圖5 殘余應(yīng)力引起的涂層失效形式：(a) 溝槽開裂；(b) 凸起；(c) 邊緣翹曲
高溫?zé)Y(jié)效應(yīng)
當(dāng)TBC長時(shí)間暴露在高溫環(huán)境下會(huì)導(dǎo)致陶瓷層燒結(jié)，燒結(jié)導(dǎo)致涂層收縮，晶體內(nèi)裂紋逐漸愈合，在晶界處形成孔隙，使TBC的導(dǎo)熱性和耐應(yīng)變能力下降。
圖6 不同燒結(jié)階段的SEM圖像：(a) 噴涂態(tài)；(b) 1個(gè)循環(huán)；(c) 2個(gè)循環(huán)；(d) 3個(gè)循環(huán)
CMAS腐蝕
CMAS是一種環(huán)境混合物，主要成分為CaO、MgO、Al2O3和SiO2。當(dāng)溫度超過1200 ℃時(shí)，CMAS開始熔化，熔融的CMAS沿著材料的孔隙、裂紋、晶界滲透，導(dǎo)致晶間腐蝕，并且滲入TBC內(nèi)部的CMAS會(huì)與涂層成分發(fā)生反應(yīng)，改變涂層的相組成，嚴(yán)重降低TBC的使用壽命。
圖7 CMAS腐蝕涂層過程：(a) 涂層結(jié)構(gòu)；(b) CMAS沉積到TBC表面；(c) 熔融CMAS滲透到TBC內(nèi)部
熔鹽腐蝕
隨著海軍技術(shù)的發(fā)展，飛機(jī)逐漸應(yīng)用于海洋環(huán)境中，在海洋環(huán)境中會(huì)發(fā)生熔融鹽腐蝕，Cl、S以及海洋環(huán)境中的Na會(huì)形成NaCl以及其他形式的鈉鹽，會(huì)附著在飛機(jī)葉片的表面，導(dǎo)致TBC材料發(fā)生體積膨脹和內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生，且Cl會(huì)與BC中的Al和Cr反應(yīng)生成揮發(fā)性的氯化物，使得BC內(nèi)部產(chǎn)生孔隙，揮發(fā)性的氯化物又會(huì)重新被氧化為(Al,Cr)2O3，會(huì)加速TGO的生長，對(duì)TBC性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響。
TGO層非受控生長
當(dāng)TBC長期在高溫氧化環(huán)境下使用時(shí)，由于陶瓷層為多孔材料，氧氣分子會(huì)沿著陶瓷層中的孔隙進(jìn)入TBC內(nèi)部，與粘結(jié)層中的元素發(fā)生反應(yīng)生成TGO。TGO的生長過程主要分為三個(gè)階段：氧化鋁的急速生長、穩(wěn)定生長，混合氧化物的出現(xiàn)及生長。
圖8 TGO演變過程：(a) 初始結(jié)構(gòu)；(b) 初始氧化階段；(c) 中期氧化階段；(d) 長期氧化階段
熱障涂層在高溫高壓等復(fù)雜服役環(huán)境中，受多場耦合作用易出現(xiàn)開裂、剝落、磨損等失效行為，其失效機(jī)理主要包括殘余應(yīng)力（含淬火應(yīng)力、相變應(yīng)力及熱失配應(yīng)力等）導(dǎo)致涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度下降并引發(fā)裂紋擴(kuò)展，高溫?zé)Y(jié)使陶瓷層收縮致密化而降低隔熱性能，CMAS與熔鹽腐蝕通過熔融滲透和化學(xué)反應(yīng)破壞涂層結(jié)構(gòu)，以及TGO層非受控生長至8~12 μm時(shí)引發(fā)界面應(yīng)力集中致涂層剝落，這些機(jī)理協(xié)同作用最終導(dǎo)致涂層功能退化或失效。
目前，國內(nèi)外在TBC無損檢測(cè)領(lǐng)域開展了大量研究和相關(guān)應(yīng)用，發(fā)展了超聲檢測(cè)（UT）、聲發(fā)射（AE）、紅外熱成像（IRT）、太赫茲時(shí)域光譜（THz-TDS）、復(fù)阻抗譜（CIS）、光激發(fā)熒光壓電光譜（PLPS）、激光超聲（LU）以及微波檢測(cè)（MDT）等熱障涂層監(jiān)測(cè)、測(cè)試及性能表征的無損檢測(cè)技術(shù)。
超聲檢測(cè)技術(shù)
超聲檢測(cè)技術(shù)具有適應(yīng)性強(qiáng)、材料穿透能力強(qiáng)以及分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，在TBC的損傷檢測(cè)中具有廣泛應(yīng)用。目前常用的超聲檢測(cè)方法主要有超聲表面波技術(shù)、超聲脈沖回波技術(shù)以及超聲顯微鏡技術(shù)等。
圖9 超聲檢測(cè)原理
張炯等采用水浸超聲檢測(cè)回波聲程差和C掃描圖像對(duì)不同深度、寬度和長度的TBC表面裂紋進(jìn)行了分析，結(jié)果表明熱障涂層基體材料對(duì)熱障涂層表面裂紋檢測(cè)效果無明顯影響，同時(shí)利用水浸超聲方法可實(shí)現(xiàn)對(duì)熱障涂層表面深度為0.1 mm、長度為2 mm裂紋的有效檢測(cè)。
Fahr等使用無損檢測(cè)和破壞性金相分析法對(duì)粘結(jié)涂層的濺射邊界或孔隙處形成的氧化物進(jìn)行檢測(cè)，驗(yàn)證了超聲波技術(shù)在分析粘結(jié)層氧化物上的應(yīng)用。
Chen等使用脈沖回波檢測(cè)對(duì)不同TBC材料進(jìn)行了無損檢測(cè)，并在一定溫度范圍內(nèi)進(jìn)行不同時(shí)間長度的循環(huán)，分析TBC材料性質(zhì)（楊氏模量）的變化并對(duì)TBC系統(tǒng)中的剝離現(xiàn)象進(jìn)行了早期預(yù)警。
林琪針對(duì)涂層厚度及其均勻性與涂層結(jié)合缺陷檢測(cè)等問題，提出了利用Welch譜估計(jì)對(duì)涂層厚度進(jìn)行超聲無損檢測(cè)的方法和底面回波反射法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)涂層厚度均勻性和涂層結(jié)合界面缺陷的無損評(píng)估。
鄭金華等基于超聲信號(hào)在涂層上、下表面產(chǎn)生的奇異性，通過對(duì)超聲信號(hào)進(jìn)行小波分析，找出了超聲信號(hào)中的奇異點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了涂層厚度的可行性評(píng)估。
盡管過去的研究已證明，超聲檢測(cè)在熱障涂層缺陷、脫落等損傷的檢測(cè)中具有適用性，然而熱障涂層多層結(jié)構(gòu)、小厚度以及不均勻性的特點(diǎn)也增加了超聲信號(hào)的提取、分析和處理的難度。此外，超聲檢測(cè)需要將被測(cè)件浸入水中，這也限制了其在實(shí)際高溫零部件的應(yīng)用范圍。為此，未來需要進(jìn)一步提高超聲檢測(cè)的分辨力以及信號(hào)處理能力，以增強(qiáng)檢測(cè)結(jié)果的可靠性。
聲發(fā)射技術(shù)
聲發(fā)射技術(shù)可以提供實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，允許對(duì)結(jié)構(gòu)或設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行連續(xù)追蹤，并且可以檢測(cè)材料或結(jié)構(gòu)中的微小裂紋和缺陷，在熱障涂層損傷監(jiān)測(cè)與失效評(píng)估方面獲得廣泛關(guān)注。
Yang等針對(duì)涂層斷裂類型的區(qū)分、量化和源頭識(shí)別等問題，提出了一種基于小波變換和傳統(tǒng)AE參數(shù)分析結(jié)合的技術(shù)，用于實(shí)時(shí)研究隔熱涂層的拉伸破壞過程，并分析了拉伸載荷的規(guī)律。
鐘志春等使用AE監(jiān)測(cè)TBC的失效過程，結(jié)合基于應(yīng)變梯度的剪滯模型，分析了TBC表面和界面的裂紋AE能量的關(guān)系。
楊麗等在AE實(shí)驗(yàn)后，使用小波方法對(duì)多傳感器的AE信號(hào)進(jìn)行分解、頻率篩選和重構(gòu)，并根據(jù)重構(gòu)信號(hào)的相關(guān)分析測(cè)算篩選頻率下AE信號(hào)的傳播速度，實(shí)現(xiàn)了聲源定位。
Renusch等采用聲發(fā)射分析方法對(duì)剝落開始前后的損傷進(jìn)行測(cè)量，并根據(jù)測(cè)量到的行為，對(duì)隔熱涂層損傷動(dòng)力學(xué)的時(shí)間和溫度關(guān)系進(jìn)行了建模。
針對(duì)熱障涂層的失效評(píng)估，李雪換等利用聲發(fā)射技術(shù)研究了拉伸載荷下熱障涂層的失效過程，并結(jié)合微觀組織觀察識(shí)別熱障涂層裂紋損傷模式。結(jié)果表明，熱障涂層拉伸失效過程為裂紋首先在陶瓷層表面萌生，隨后向陶瓷層/粘結(jié)層的界面處擴(kuò)展，在到達(dá)界面后裂紋將沿著界面生長與擴(kuò)展，最終導(dǎo)致熱障涂層分層剝落。
圖10 熱障涂層拉伸試驗(yàn)及其聲發(fā)射檢測(cè)裝置
目前，AE技術(shù)雖能較好地表征熱障涂層損傷隨熱、力等載荷的實(shí)時(shí)變化過程，然而AE信號(hào)容易受熱載以及基體、粘結(jié)層塑性變形等因素干擾，導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理較為困難。同時(shí)，在損傷演化的預(yù)測(cè)方面仍存在一定不足。
紅外熱成像技術(shù)
紅外熱成像技術(shù)主要通過對(duì)目標(biāo)表面的紅外輻射進(jìn)行感知和記錄，并轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的熱成像來進(jìn)行無損檢測(cè)。紅外熱成像技術(shù)以其較高的檢測(cè)效率、檢測(cè)覆蓋度以及多場景的適用性，為無損檢測(cè)提供了一種高效、實(shí)時(shí)、廣泛使用的工具。尤其是伴隨著近年來溫度采集技術(shù)的不斷進(jìn)步，紅外熱成像技術(shù)在無損檢測(cè)領(lǐng)域的表現(xiàn)越發(fā)突出。
國內(nèi)外學(xué)者利用紅外熱成像技術(shù)對(duì)熱障涂層的損傷狀態(tài)及壽命預(yù)測(cè)等方面開展了一系列研究。Wang等提出了峰值對(duì)比時(shí)間分析的非線性傳遞模型，利用紅外熱成像技術(shù)確定缺陷深度，并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證明了峰值對(duì)比時(shí)間與缺陷深度之間的非線性關(guān)系機(jī)理，該方法顯著提高了缺陷深度探測(cè)的準(zhǔn)確性。
Newaz等使用紅外熱成像技術(shù)，證實(shí)了涂層分層和屈曲僅在壽命末期發(fā)生，且時(shí)間跨度很短，并分析出熱循環(huán)條件下TBC壽命降低的原因主要為氧化物的生長及其由于TBC層下的彌散微裂紋而導(dǎo)致的分解，提出使用熱波振幅作為TBC壽命結(jié)束的指標(biāo)。該項(xiàng)研究結(jié)果表明，紅外熱成像技術(shù)在TBC損傷評(píng)估和健康監(jiān)測(cè)方面的優(yōu)勢(shì)。
圖11 紅外熱成像系統(tǒng)
Shrestha等使用熱成像方法對(duì)非均勻涂層厚度進(jìn)行了評(píng)估，并在評(píng)估預(yù)測(cè)涂層厚度準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上，對(duì)脈沖熱成像和鎖定熱成像進(jìn)行了比較研究。結(jié)果表明，在此應(yīng)用場景下，脈沖熱成像技術(shù)在準(zhǔn)確率和評(píng)估速度上都有顯著優(yōu)勢(shì)。
Tang等將主成分分析和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，提出了PCA-BP算法，通過選取熱障涂層的脈沖紅外熱像試驗(yàn)的數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練和測(cè)試樣本，對(duì)涂層缺陷深度和直徑進(jìn)行了定量評(píng)估。結(jié)果表明，該算法能夠?qū)θ毕萆疃群椭睆竭M(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別，驗(yàn)證了其在缺陷定量檢測(cè)的有效性。
IRT的熱障涂層表面溫度分布主要通過熱輻射的形式獲取，主要應(yīng)用于熱障涂層厚度、分裂紋以及脫粘等方面，具有檢測(cè)效率高、檢測(cè)面積大、非接觸等優(yōu)勢(shì)。然而在熱障涂層的缺陷檢測(cè)中也會(huì)出現(xiàn)紅外圖像邊緣模糊、噪聲大等問題。
復(fù)阻抗譜技術(shù)
復(fù)阻抗譜檢測(cè)技術(shù)通過測(cè)量材料在不同頻率下對(duì)交流電的復(fù)阻抗變化，能夠有效檢測(cè)涂層失效前涂層（尤其是TGO層）的損傷狀態(tài)。TBC阻抗譜檢測(cè)一般分為阻抗譜法（IS）和電化學(xué)阻抗譜法，其中阻抗譜法主要應(yīng)用于高溫干燥工況，而后者則主要在電解液中進(jìn)行檢測(cè)。
根據(jù)兩種阻抗譜法的特點(diǎn)，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)阻抗譜技術(shù)在熱障涂層材料的應(yīng)用開展了大量研究。例如Chen等采用阻抗譜系統(tǒng)研究了7YSZ熱障涂層的等溫氧化過程，建立了柱狀7YSZ涂層的電化學(xué)物理模型和等效電路。結(jié)果表明，柱狀7YSZ熱障涂層的等溫氧化動(dòng)力學(xué)曲線呈現(xiàn)拋物線規(guī)律，同時(shí)發(fā)現(xiàn)粘結(jié)涂層的預(yù)處理可以降低熱生長氧化物（TGO）層的生長速率，抑制YSZ和TGO層之間微裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展。
Liu等利用復(fù)阻抗譜技術(shù)研究了置于25wt% NaCl和75wt% Na2SO4混合物的熱障涂層的熱腐蝕行為，結(jié)果表明當(dāng)循環(huán)次數(shù)小于110時(shí)，TGO的電阻由于厚度的增加而增加，而在超過110次循環(huán)中，TGO的電阻隨著TGO層孔隙率的增加而降低，即使TGO層的厚度增加。
董曉克等基于阻抗譜測(cè)試原理，提出了一種利用阻抗譜法監(jiān)測(cè)熱障涂層中氧化物生長的方法。研究發(fā)現(xiàn)，隨著氧化時(shí)間的延長，TGO層的成分從氧化初期的Al2O3向Al2O3（主要）、Cr2O3、CoO、NiO的混合氧化物過渡，并通過建立TGO層電阻與氧化時(shí)間的關(guān)系，證實(shí)了阻抗譜法在熱障涂層高溫退化過程中進(jìn)行無損檢測(cè)的可行性。
圖12 馬弗爐中的高溫測(cè)試示意
Wang等采用IS對(duì)熱障涂層的TGO生長過程進(jìn)行測(cè)量。結(jié)果表明，無論試樣和氧化條件如何，在0~18.3 μm范圍內(nèi)，所得到的TGO電容與觀察到的TGO厚度有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
Sun等提出了一種在不同基底和厚度下測(cè)量涂層的導(dǎo)熱系數(shù)和熱容分布的脈沖熱成像多層分析（PTI-MLA）方法，并建立了一個(gè)基于TBC電導(dǎo)率與LMP相關(guān)性的TBC降解預(yù)測(cè)模型。理論分析與試驗(yàn)結(jié)果顯示，該方法具有用于監(jiān)測(cè)TBC降解和預(yù)測(cè)TBC壽命的潛力。
在TBC的檢測(cè)方面，IS具有檢測(cè)范圍廣、效率高、定量分析等特點(diǎn)。然而受TBC結(jié)構(gòu)復(fù)雜且IS獲得的是涂層平均阻抗的影響，IS數(shù)據(jù)與微觀結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確映射是IS檢測(cè)的難點(diǎn)。
光激發(fā)熒光壓電光譜技術(shù)
熱障涂層殘余應(yīng)力的累積容易導(dǎo)致涂層的脫落，因此熱障涂層殘余應(yīng)力的有效監(jiān)測(cè)有利于提高涂層的使用壽命。激發(fā)熒光壓電光譜技術(shù)作為一種檢測(cè)熱障涂層殘余應(yīng)力的有效方法，主要通過對(duì)TGO中離子態(tài)金屬受光后熒光光譜的測(cè)定和對(duì)特征頻率變化值的分析獲得應(yīng)力值。激發(fā)熒光壓電光譜技術(shù)可以通過熱生長氧化層中彈性應(yīng)變能的測(cè)量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)局部損傷程度的有效分析。
圖13 光激發(fā)熒光壓電光譜技術(shù)測(cè)試原理
Majewski等提出了將污染物產(chǎn)生信號(hào)與TBC信號(hào)分離的方法，初步實(shí)現(xiàn)了光激發(fā)熒光壓電光譜技術(shù)對(duì)涂層應(yīng)力進(jìn)行穩(wěn)健的非破壞性評(píng)估。
Wen等采用光激發(fā)熒光壓電光譜技術(shù)研究了EB-PVD/(Ni,Pt)Al熱障涂層中TGO的結(jié)構(gòu)完整性，結(jié)果表明PLPS是檢測(cè)TBC散裂起始和演化的有效方法。
Cui等采用PLPS技術(shù)表征了多孔涂層在1100℃熱老化后的殘余應(yīng)力。結(jié)果表明，由于涂層內(nèi)部存在大量的氣孔和裂紋，多孔面漆的殘余應(yīng)力比理論預(yù)測(cè)的要小。
陳燁研制了渦輪葉片熱障涂層TGO殘余應(yīng)力熒光拉曼測(cè)試系統(tǒng)，并通過對(duì)渦輪葉片結(jié)構(gòu)的熱障涂層樣品進(jìn)行TGO殘余應(yīng)力分布云圖繪制，完成了對(duì)設(shè)備的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
Wang等基于熒光法提出了一種在高溫、低溫交替和富氯-環(huán)境下高溫鋼腐蝕程度的無損檢測(cè)方法，并建立了高溫和低溫交替下熒光與涂層腐蝕程度的關(guān)系。
PLPS能夠通過低功率激光聚焦在涂層表面進(jìn)行化學(xué)識(shí)別和應(yīng)力測(cè)量，能夠?yàn)門GO的測(cè)定和分布提供依據(jù)。然而，當(dāng)前PLPS檢測(cè)技術(shù)仍面臨較多問題，除環(huán)境沉積物信號(hào)干擾外，如何實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的TGO全域檢測(cè)仍是亟待解決的關(guān)鍵問題。
太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)
太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)作為一種先進(jìn)無損檢測(cè)方法，具有非接觸、非電離、高精度等、可定量等優(yōu)勢(shì)，在TCB厚度、孔隙率、沖蝕以及TGO的檢測(cè)方面展現(xiàn)巨大的潛力。
圖14 太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)測(cè)試原理
近年來，國內(nèi)外研究人員利用THz-TDS技術(shù)對(duì)熱障涂層結(jié)構(gòu)性能評(píng)估與檢測(cè)方面已取得一定成果。例如White等于2009年首次利用反射式太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)對(duì)熱障涂層厚度進(jìn)行檢測(cè)，并證明了利用太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)檢測(cè)TBC厚度的可行性。
Fukuchi等提出了從太赫茲波的反射波形確定熱障涂層面漆折射率和厚度的方法，該方法能夠有效計(jì)算熱障涂層的截面厚度，對(duì)于燃?xì)廨啓C(jī)葉片TBC的無損檢測(cè)具有重要的應(yīng)用意義。
針對(duì)多層陶瓷層厚度的檢測(cè)要求，Cao等提出了一種使用反射太赫茲脈沖回波推斷多層陶瓷層厚度的等效反射系數(shù)模型，通過與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果對(duì)比，表明了該模型計(jì)算結(jié)果的可靠性和高精度。
雖然太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)在TBC無損檢測(cè)方向具有一定潛力，但其相關(guān)研究仍有待進(jìn)一步發(fā)展，在理論模型、檢測(cè)效率以及成像分辨率等方面亟待進(jìn)一步完善和優(yōu)化。
何普等提出了采用太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)的高精度熱障涂層測(cè)厚方法。通過對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，與標(biāo)準(zhǔn)試塊法相比，所提方法不需要制作標(biāo)準(zhǔn)試塊，僅根據(jù)太赫茲檢測(cè)信號(hào)即可同時(shí)計(jì)算得到熱障涂層折射率與厚度，實(shí)現(xiàn)了對(duì)熱障涂層高效、高精度測(cè)厚。
Zhao等提出了一種利用反射太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)同時(shí)測(cè)量TBC中TGO的厚度和折射率的方法，并通過4個(gè)不同厚度的TGO層樣品驗(yàn)證了TGO層厚度的計(jì)算結(jié)果的有效性。
THz-TDS技術(shù)具有非電離、非破壞以及成像分辨率高等特點(diǎn)，在TBC的厚度測(cè)量以及退化檢測(cè)方面受到廣泛關(guān)注。然而，THz-TDS技術(shù)在TBC檢測(cè)中的成像速度與成像分辨率仍需進(jìn)一步提高。
激光超聲技術(shù)
作為近年來新興的無損檢測(cè)技術(shù)，激光超聲主要基于激光與材料之間的相互作用，通過熱彈機(jī)制或者熱蝕機(jī)制使得激光照射到材料中時(shí)產(chǎn)生超聲波，進(jìn)而對(duì)材料內(nèi)部信息進(jìn)行探測(cè)。該方法能夠激發(fā)高頻率、短脈沖的超聲波，具有遠(yuǎn)距離、非接觸以及不受材料幾何形狀影響的特點(diǎn)。
圖15 激光超聲檢測(cè)原理
Zhao等通過推導(dǎo)多層薄壁結(jié)構(gòu)的超聲波透射系數(shù)，提出了一種用于TBC結(jié)合層無損表征的非接觸激光超聲方法。試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能夠無損表征TBC系統(tǒng)中的結(jié)合層。
Zhao等采用反演方法結(jié)合傳輸系數(shù)譜來確定結(jié)合層的衰減系數(shù)。通過對(duì)氧化1個(gè)周期、10個(gè)周期和100個(gè)周期的 TBC 進(jìn)行激光超聲檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，結(jié)合層的衰減系數(shù)隨著氧化時(shí)間的增加而變大。
Huang等為了表征熱障涂層的尺寸和缺陷，研究了熱障涂層面漆厚度對(duì)激光誘導(dǎo)表面聲波時(shí)頻域和色散特性的影響。結(jié)果表明，當(dāng)面漆厚度從100 μm增加到400 μm時(shí)，激光能量越集中，導(dǎo)致更大的激發(fā)超聲波振幅和光譜振幅，同時(shí)光譜幅值增長速率隨面漆厚度的增加而增大。
微波檢測(cè)技術(shù)
微波檢測(cè)技術(shù)以微波作為信息載體，利用微波與物質(zhì)的相互作用，通過發(fā)射微波并接收反射、散射或透射的微波信號(hào)，來獲取被檢測(cè)物體的信息。在微波檢測(cè)中，微波頻率范圍在300 MHz~300 GHz之間，使其能夠穿透大部分物質(zhì)，同時(shí)微波在不同介質(zhì)中的傳播速度、衰減程度等差異有助于獲取物體形狀、位置和大小等信息。該方法具有非接觸性、快速響應(yīng)、穿透能力強(qiáng)、多參數(shù)檢測(cè)等特點(diǎn)，并在熱障涂層檢測(cè)領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。
Sayar等采用微波無損技術(shù)對(duì)熱障涂層中的TC厚度進(jìn)行了檢測(cè)。結(jié)果表明，應(yīng)用相對(duì)高頻率矩形波導(dǎo)時(shí)，15 μm TC厚度的相位變化為1，具有良好的分辨率。
Song等提出一種微波無損評(píng)估熱障涂層下基體表面裂紋的方法，并提出了驗(yàn)證TBC微波無損檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)裝置，驗(yàn)證了微波無損評(píng)價(jià)基體表面裂紋的可行性。
Jawad等提出了一種低復(fù)雜度信號(hào)處理方法，借助帶寬受限的開放式矩形波導(dǎo)（OERW）探頭，實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬基底介電涂層脫層厚度的估算。該方法通過快速傅里葉逆變換將在涂層表面測(cè)得的復(fù)反射系數(shù)轉(zhuǎn)換到時(shí)域，并利用特定時(shí)間步長的幅值估算脫層厚度。
Tan等基于K-medoids聚類提出了一種微波分層無損檢測(cè)方法。該方法使用K-medoids聚類算法將每個(gè)被檢查位置的屬性分類為缺陷或無缺陷，以準(zhǔn)確檢測(cè)和確定陶瓷絕緣中的缺陷。研究結(jié)果表明，分層檢測(cè)準(zhǔn)確率為95.4%，在分層檢測(cè)方面具有較大的優(yōu)勢(shì)。
楊玉娥等基于CST仿真方法研究了熱障涂層孔隙率的微波無損檢測(cè)。結(jié)果表明，當(dāng)涂層厚度為工作波長的1/4時(shí)，微波檢測(cè)孔隙率具有較高的檢測(cè)靈敏度。
圖16 CST仿真模型及波導(dǎo)探頭截面圖
現(xiàn)有無損檢測(cè)技術(shù)對(duì)比分析
根據(jù)以上對(duì)TBC損傷檢測(cè)技術(shù)的分析，表1給出了不同檢測(cè)方法的適用范圍與優(yōu)缺點(diǎn)?，F(xiàn)有無損檢測(cè)方法能夠?qū)BC內(nèi)部殘余應(yīng)力、TGO損傷、沖蝕損傷、孔隙以及裂紋等損傷進(jìn)行有效檢測(cè)，且各檢測(cè)方法均具有獨(dú)立的優(yōu)勢(shì)。
表1 TBC現(xiàn)有無損檢測(cè)方法對(duì)比
然而隨著TBC的不斷發(fā)展和新材料的出現(xiàn)，單一的無損檢測(cè)方法往往存在一定的局限性，難以全面、準(zhǔn)確地檢測(cè)TBC的各種缺陷和性能。為此，有必要發(fā)展多無損檢測(cè)方法融合技術(shù)，通過優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，提高檢測(cè)效率和準(zhǔn)確性。同時(shí)，還需要不斷提高檢測(cè)方法的準(zhǔn)確性和精度，以實(shí)現(xiàn)微小損傷和結(jié)構(gòu)細(xì)微變化的檢測(cè)。
此外，隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，智能化檢測(cè)逐漸成為熱障涂層無損檢測(cè)的重要發(fā)展方向。通過對(duì)大量的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)和分析，建立智能檢測(cè)模型，以實(shí)現(xiàn)缺陷類型、位置和程度的自動(dòng)識(shí)別，提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性和效率。
熱障涂層性能檢測(cè)評(píng)價(jià)方法
在對(duì)涂層進(jìn)行性能檢測(cè)時(shí)主要包括力學(xué)、熱學(xué)和服役環(huán)境模擬三種測(cè)試。力學(xué)性能測(cè)試主要包括硬度、結(jié)合強(qiáng)度、彈性模量、斷裂韌性、殘余應(yīng)力；熱學(xué)性能測(cè)試包括熱導(dǎo)率和熱膨脹系數(shù)；高溫服役環(huán)境模擬測(cè)試包括高溫氧化性能、耐腐蝕性和抗熱震性。這些性能與涂層、實(shí)驗(yàn)環(huán)境等相關(guān)物理參量有關(guān)，分析不同物理參量對(duì)上述性能的影響，有利于優(yōu)化涂層相關(guān)性能。
圖17 不同測(cè)試方法及標(biāo)準(zhǔn)匯總
力學(xué)性能檢測(cè)評(píng)價(jià)方法
硬度檢測(cè)
在測(cè)試TBC的硬度時(shí)，主要通過施加在TC層表面的壓力，使得TBC產(chǎn)生塑性變形，進(jìn)而確定硬度的大小。硬度主要與孔隙率、涂層厚度有關(guān)，孔隙率越多會(huì)導(dǎo)致涂層內(nèi)部應(yīng)力集中，顯著削弱材料的硬度；當(dāng)涂層厚度小于壓痕深度的3~5倍時(shí)，硬度測(cè)試結(jié)果會(huì)受基體影響。TBC硬度的測(cè)量方法有顯微硬度計(jì)法、納米壓痕法、JH法、外推法、Meyer法等。顯微硬度計(jì)能夠測(cè)量小面積的硬度，且對(duì)涂層的破壞較小，吳向清等采用顯微硬度計(jì)法測(cè)試得到了擴(kuò)散Al/YSZ熱障涂層的顯微硬度分布曲線，但測(cè)試結(jié)果會(huì)受到受壓頭形狀、加載速度、樣品表面粗糙度等因素影響，需要嚴(yán)格控制測(cè)試條件。JH法由于理論模型與實(shí)際情況存在假設(shè)、外推法假設(shè)本身存在較大誤差、Meyer法繪圖要求高，且在低載荷下難以測(cè)量，無法很好地應(yīng)用于TBC材料的硬度測(cè)試。與上述方法相比，納米壓痕具有高的分辨率和精度，并且通過分析載荷-位移曲線就可以得到材料的硬度，因此被廣泛應(yīng)用于TBC材料的硬度表征。
圖18 納米壓痕測(cè)試：(a) 觀察位置；(b) 納米壓痕設(shè)備；(c) 涂層的橫截面形貌；(d) 位移-載荷曲線
結(jié)合強(qiáng)度檢測(cè)
熱障涂層的結(jié)合強(qiáng)度是衡量其性能的關(guān)鍵指標(biāo)，直接影響涂層的使用壽命和可靠性。涂層的結(jié)合強(qiáng)度主要與熱膨脹系數(shù)差值、涂層厚度有關(guān)，涂層與基體之間的熱膨脹系數(shù)差值越大容易在服役過程產(chǎn)生熱應(yīng)力，導(dǎo)致界面剝離，顯著材料的結(jié)合強(qiáng)度；涂層厚度過薄可能因承載能力不足導(dǎo)致早期失效，厚度過大導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力累積，影響材料的結(jié)合強(qiáng)度。
目前，測(cè)量熱障涂層結(jié)合強(qiáng)度最常用的方法為拉伸附著力測(cè)試（TAT），是通過施加垂直于涂層表面的拉力直至涂層剝落，測(cè)量其抗拉強(qiáng)度。圖19為兩種常用基材的幾何形狀，ASTM C633和ISO 14196等標(biāo)準(zhǔn)對(duì)此類測(cè)試進(jìn)行了規(guī)范。
圖19 TAT測(cè)試示意圖Guo等利用TAT研究了LZ、LZ-Y、LZ-C三種涂層的結(jié)合強(qiáng)度。采用TAT得到結(jié)合強(qiáng)度的方法，具有操作簡單、數(shù)據(jù)直觀的特點(diǎn)，但測(cè)試精度不高，且要求粘結(jié)層的厚度必須均勻。
彈性模量檢測(cè)
彈性模量是TBC材料重要的力學(xué)性能指標(biāo)，彈性模量的大小主要與涂層內(nèi)部的孔隙率有關(guān)，孔隙作為“缺陷”會(huì)降低涂層的有效承載面積，導(dǎo)致彈性模量隨孔隙率增加而顯著下降。
測(cè)定彈性模量的方法主要有納米壓痕法和三點(diǎn)彎曲法。納米壓痕過程主要包括加載與卸載兩個(gè)過程，可以對(duì)樣品進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)檢測(cè)，并得到如圖20所示的位移-載荷曲線。
圖20 EB-PVD制備的4YSZ(a)和(b)納米壓痕高倍率SEM圖片以及(c)側(cè)面和(d)正面的位移-載荷曲線
采用納米壓痕法測(cè)得涂層的彈性模量存在一定的局限性，由于APS和EB-PVD制備的涂層材料表面比較粗糙，會(huì)影響測(cè)試精度；并且涂層的實(shí)際使用溫度通常在1600 ℃以上，但納米壓痕壓頭的實(shí)際最高工作溫度為1200 ℃，難以準(zhǔn)確測(cè)得涂層實(shí)際服役的真實(shí)性能。
三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)主要測(cè)定TBC材料的彎曲模量，將獨(dú)立式TBC梁放在彎曲夾具上，并設(shè)置一定的加載速率進(jìn)行三點(diǎn)彎曲測(cè)試。Zhu等結(jié)合數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）方法與三點(diǎn)彎曲法實(shí)現(xiàn)了對(duì)APS制備的TBC原位高溫彈性模量測(cè)試。
斷裂韌性檢測(cè)
涂層與界面之間的抗斷裂性決定著TBC材料的使用壽命，其大小主要與孔隙率和涂層厚度有關(guān)，孔隙的存在直接影響裂紋的擴(kuò)展路徑，高孔隙率會(huì)導(dǎo)致涂層內(nèi)部缺陷增多，裂紋易沿孔隙尖端或孔隙間的薄弱區(qū)域擴(kuò)展，顯著降低斷裂韌性；反之，致密度越高（孔隙率越低），涂層結(jié)構(gòu)越致密，裂紋擴(kuò)展阻力越大，斷裂韌性通常更高。
過薄的涂層可能因缺陷（如針孔、界面結(jié)合不良）導(dǎo)致韌性下降；過厚的涂層則易因內(nèi)應(yīng)力累積或與基體變形不協(xié)調(diào)，在受力時(shí)產(chǎn)生貫穿性裂紋，宏觀表現(xiàn)為斷裂韌性降低。
目前測(cè)量TBC界面斷裂韌性的方法主要有四點(diǎn)彎曲法、拉伸粘合測(cè)試、壓痕法、剪切試驗(yàn)、雙懸臂彎曲法、改進(jìn)的四點(diǎn)彎曲法等。Zhao等采用改進(jìn)的四點(diǎn)彎曲法對(duì)沉積8YSZ涂層的斷裂韌性進(jìn)行了研究，結(jié)果如圖21所示。
圖21 沿裂紋延伸路徑的局部裂縫形態(tài)：(a) YSZ/NiCrAlY界面；(b) 過渡區(qū)1；(c) 過渡區(qū)2；(d) 在YSZ層內(nèi)
殘余應(yīng)力檢測(cè)
殘余應(yīng)力的大小主要與涂層和基體之前的熱膨脹系數(shù)差值、涂層厚度、沉積速率有關(guān)。涂層與基體的熱膨脹系數(shù)不匹配是殘余應(yīng)力的主要來源之一，若涂層熱膨脹系數(shù)大于基體，冷卻時(shí)涂層收縮量更大，會(huì)受到基體約束而產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力；若涂層熱膨脹系數(shù)小于基體，冷卻時(shí)基體收縮更顯著，涂層會(huì)被拉伸而產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力。這種熱失配效應(yīng)在高溫制備工藝（如熱噴涂、熔覆）中尤為突出。
涂層厚度增加時(shí)，應(yīng)力累積效應(yīng)更明顯導(dǎo)致開裂。沉積速率過快會(huì)導(dǎo)致涂層結(jié)構(gòu)疏松或缺陷增多（如孔隙、未結(jié)合區(qū)），影響應(yīng)力分布均勻性，可能局部放大殘余應(yīng)力。
目前測(cè)試TBC材料殘余應(yīng)力的方法主要有X射線衍射法、中子衍射法（ND）、拉曼光譜（RS）、光致發(fā)光壓電能譜法（PLPS）、納米壓痕法等，通過研究發(fā)現(xiàn)，XRD、RS、PLPS是測(cè)試TBC殘余應(yīng)力的主要方法，被廣泛應(yīng)用于殘余應(yīng)力的測(cè)試與研究中。
02熱學(xué)性能檢測(cè)評(píng)價(jià)方法
熱導(dǎo)率檢測(cè)
熱導(dǎo)率是衡量涂層材料傳導(dǎo)熱量的能力，是熱障涂層最核心的熱學(xué)性能指標(biāo)?？紫堵逝c涂層厚度通過影響熱量傳遞的路徑（聲子、電子或光子傳導(dǎo)）和阻力（散射、缺陷等）從而影響熱導(dǎo)率的大小。
目前測(cè)定熱導(dǎo)率的方法主要有3ω法、穩(wěn)態(tài)平板法、標(biāo)準(zhǔn)試樣法和激光閃光法等。3ω法測(cè)試頻率較低，穩(wěn)態(tài)平板法不適用高溫情況，標(biāo)準(zhǔn)試樣法對(duì)試樣形狀有嚴(yán)格要求，且這三種方法在測(cè)定具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的涂層材料時(shí)較為困難。
激光閃光法是測(cè)試涂層熱導(dǎo)率的常用方法，其用激光脈沖加熱涂層，測(cè)量其熱擴(kuò)散系數(shù)，進(jìn)而得到熱導(dǎo)率。熱導(dǎo)率主要與材料中的聲子自由程相關(guān)，可以通過減少聲子自由程降低熱導(dǎo)率，主要有增加聲子散射和引入點(diǎn)缺陷。因此，研究者開發(fā)了不同體系的TBC材料，并對(duì)其熱導(dǎo)率進(jìn)行了測(cè)試，具體結(jié)果如圖22所示。
圖22 不同體系TBC材料的熱導(dǎo)率
熱膨脹系數(shù)檢測(cè)
熱膨脹系數(shù)是指材料隨溫度變化膨脹或收縮的速率，需與基體相匹配。涂層的熱膨脹系數(shù)大小與孔隙率、涂層厚度等宏觀物理量有關(guān)，這些因素通過影響材料內(nèi)部原子/分子間的結(jié)合力、晶體結(jié)構(gòu)及微觀缺陷，決定了涂層在溫度變化時(shí)的宏觀膨脹行為。常用高溫?zé)崤蛎浻?jì)（DIL）作為涂層熱膨脹系數(shù)的測(cè)試設(shè)備。
03服役環(huán)境模擬測(cè)試評(píng)價(jià)方法
高溫氧化性能檢測(cè)
高溫氧化試驗(yàn)是將樣品放入高溫馬弗爐中，并設(shè)置一定的溫度和時(shí)間進(jìn)行氧化，氧化后對(duì)試樣進(jìn)行物相分析、形貌分析等測(cè)試，并繪制氧化動(dòng)力學(xué)曲線，如圖23所示，測(cè)試參照的標(biāo)準(zhǔn)為HB 5258-2000《鋼及高溫合金的抗氧化性測(cè)定試驗(yàn)方法》。
圖23 YSZ和LGYYSZ高溫氧化測(cè)試：(a)YSZ和(b)LGYYSZ氧化100 h后的表面形貌；(c) XRD圖；(d) 氧化動(dòng)力學(xué)曲線
涂層的高溫氧化性能與孔隙率、涂層厚度有關(guān)，高致密度涂層因孔隙率低，可減少氧氣通過孔隙滲透到涂層內(nèi)部的路徑，氧化速率更低；多孔涂層中，孔隙成為氧擴(kuò)散的“通道”，且孔隙內(nèi)可能形成局部氧化，加速涂層失效。在氧化膜未剝落的前提下，涂層厚度越大，可消耗的抗氧化元素（如Al、Cr）儲(chǔ)備越充足，抗氧化壽命越長。
耐腐蝕性檢測(cè)
涂層的耐腐蝕性與孔隙率、涂層厚度以及耐蝕性元素含量有關(guān)，這些因素通過影響腐蝕介質(zhì)的滲透路徑、涂層與基體的界面穩(wěn)定性及腐蝕反應(yīng)速率決定其耐蝕效果。
高孔隙率涂層中，孔隙會(huì)成為腐蝕介質(zhì)直達(dá)基體的“通道”，導(dǎo)致基體發(fā)生孔蝕或界面腐蝕；在無缺陷前提下，厚度越大，腐蝕介質(zhì)滲透到基體的路徑越長，耐蝕壽命通常越長，但過厚涂層可能因內(nèi)應(yīng)力過大導(dǎo)致開裂，反而降低耐蝕性。
含Cr（＞12%）、Ni、Mo、Ti等元素的涂層，通過形成鈍化膜或提高電化學(xué)穩(wěn)定性抵御腐蝕，這些元素的含量決定了材料的耐蝕性，從而影響涂層的使用壽命
CMAS腐蝕檢測(cè)
在對(duì)材料進(jìn)行CMAS腐蝕前，首先要制備CMAS粉末，將制備好的CMAS粉末均勻噴涂于TBC表面，將其放入熱處理爐中，設(shè)置一定的溫度和暴露時(shí)間，取出后對(duì)樣品進(jìn)行形貌觀察。
熔鹽腐蝕檢測(cè)
燃?xì)廨啓C(jī)中的燃料中含有雜質(zhì)Na、S、V、K和Cl等，燃燒后形成NaSO4、V2O5和NaCl。這些物質(zhì)沉積在涂層表面并發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致涂層降解失效。
在對(duì)涂層進(jìn)行熔鹽腐蝕時(shí)，首先配制一定比例配制Na2SO4和NaCl混合鹽，將其放入馬弗爐中設(shè)定實(shí)驗(yàn)所需溫度，一定時(shí)間后將試樣取出并進(jìn)行分析和表征，可參照HB 20401-2016《涂鹽熱腐蝕試驗(yàn)方法》進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)。
抗熱震性檢測(cè)
抗熱震性作為衡量材料對(duì)溫度變化抵抗力的量度，是評(píng)估涂層材料使用壽命的重要指標(biāo)。其性能主要與基體與涂層的熱膨脹系數(shù)（CTE）差異、導(dǎo)熱系數(shù)、熱擴(kuò)散系數(shù)、溫度變化幅度與速率和孔隙率有關(guān)。
在測(cè)定材料的抗熱震性時(shí)，最常采用的方法為水淬熱沖擊試驗(yàn)。首先將TBC表面加熱到設(shè)定的試驗(yàn)溫度，并保持一定時(shí)間后，將試樣迅速放入水中冷卻，將上述過程循環(huán)進(jìn)行，觀察涂層的剝落和開裂現(xiàn)象，記錄涂層的熱循環(huán)次數(shù)，并對(duì)熱沖擊后的材料進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)分析，如圖24所示，以此評(píng)估材料的抗熱震性。
圖24 熱沖擊后TBC的微觀結(jié)構(gòu)：(a,d,g) 橫截面；(b,e,h) 裂紋/剝落的放大區(qū)域；(c,f,i) TGO的放大區(qū)域
研究發(fā)現(xiàn)，通過稀土元素?fù)诫s和高熵化的方式并不能提高涂層的熱循環(huán)次數(shù)，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是在對(duì)涂層進(jìn)行水淬熱循環(huán)過程中產(chǎn)生了熱循環(huán)應(yīng)力。
熱循環(huán)應(yīng)力主要由涂層與基底之間熱膨脹系數(shù)的不匹配以及TGO的生長造成，在熱循環(huán)初期，TGO層的應(yīng)力較低，在TC與BC之間形成徑向裂紋，隨著熱循環(huán)次數(shù)的增加，TGO層的應(yīng)力增加，徑向裂紋逐漸擴(kuò)展與材料表面的裂紋相連接。
水淬過程會(huì)使得陶瓷層和材料內(nèi)部產(chǎn)生巨大拉應(yīng)力，導(dǎo)致材料產(chǎn)生垂直裂紋，當(dāng)垂直裂紋擴(kuò)展至靠近底部的連續(xù)水平裂紋時(shí)，可能發(fā)生脆性斷裂，垂直裂紋與水平裂紋通過傾斜裂紋連通，最終導(dǎo)致涂層剝落。具體過程如圖25所示。
圖25 涂層在熱循環(huán)下的微觀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變行為機(jī)制：(a) 涂層結(jié)構(gòu)；(b,c) 徑向裂紋的形成；(d,e) 水平裂紋出現(xiàn)并與徑向裂紋貫通
總結(jié)與展望
TBC作為重要的熱端保護(hù)結(jié)構(gòu)，能夠有效減少熱端部件的損傷，已成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件發(fā)展不可或缺的技術(shù)，為了提高TBC的使用壽命，國內(nèi)外研究人員在涂層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料體系以及無損檢測(cè)等方面做了大量研究，并取得良好的研究成果，但仍存在一定的挑戰(zhàn)尚需突破。
綜合多種TBC陶瓷層材料的優(yōu)勢(shì)進(jìn)一步探索新的摻雜、納米級(jí)等新型工作溫度高、穩(wěn)定性好以及抗氧化性強(qiáng)的陶瓷材料，同時(shí)發(fā)展多功能梯度涂層結(jié)構(gòu)，以改善涂層抗燒結(jié)、熱導(dǎo)率以及熱穩(wěn)定等性能。
持續(xù)優(yōu)化和完善制備工藝，結(jié)合不同制備工藝的特點(diǎn)，開發(fā)復(fù)合型TBC制備工藝，以提高生產(chǎn)效率和降低成本。
優(yōu)化具有TBC材料的隔熱性能測(cè)試技術(shù)，建立評(píng)價(jià)高效、準(zhǔn)確的TBC隔熱效果表征方法。
進(jìn)一步發(fā)展高性能傳感器技術(shù)，提高各檢測(cè)方法的檢測(cè)精度和穩(wěn)定性，同時(shí)開發(fā)集成度高、便捷輕量的檢測(cè)系統(tǒng)，促進(jìn)檢測(cè)效率的提高。
結(jié)合多種TBC無損檢測(cè)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，聯(lián)合信號(hào)處理技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘等先進(jìn)方法，進(jìn)行多元信息融合，建立具有全面評(píng)價(jià)TBC性能能力的無損檢測(cè)方法。
引入人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，構(gòu)建能夠提前預(yù)測(cè)TBC的性能變化和缺陷的性能預(yù)測(cè)模型和缺陷預(yù)警模型，以實(shí)現(xiàn)TBC的智能監(jiān)測(cè)和預(yù)警。隨著航空航天與能源動(dòng)力領(lǐng)域?qū)Ω邷夭考枨蟮奶嵘?，TBC檢測(cè)技術(shù)將向高精度、智能化方向發(fā)展，為涂層設(shè)計(jì)與長壽命服役提供核心支撐。
來源：中國有色金屬學(xué)報(bào)、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈技術(shù)、航空動(dòng)力、知網(wǎng)
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