先进燃气轮机设计制造基础专著系列 热障涂层强度理论与检测技术pdf电子书版本下载

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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