摘要
热障涂层是涡轮叶片表面重要的热防护技术，热障涂层的发展一直是制约航空发动机性能提升的重要因素。目前热障涂层技术在燃气涡轮叶片表面已广泛应用，但是热障涂层依然面临从基底表面脱落的巨大问题。导向叶片热障涂层的寿命考核测试通常在静态环境模拟器中实现，但针对转子叶片热障涂层一直缺乏合适的考核试验装备。在地面台或核心机上开展热障涂层试车需耗费巨大的人力物力，且无法捕捉涂层损伤演化的关键信息。基于此，本文开发了高速旋转与燃气热冲击作用下的环境模拟器，采用火焰喷涂方法在转子叶片热障涂层表面敷设高温电阻应变计与热电偶，通过实时采集服役过程中的应变损伤与温度场，对TBCs的损伤演化与失效机制进行分析。取得主要创新性结果如下： (1)基于搭建高速旋转热障涂层模拟考核测试装置，通过燃气喷枪与高速电机的配合，满足了转子叶片热障涂层的热冲击循环要求。标定了在不同服役转速下加热到预定温度的实验参数。基于损伤实时检测技术，对最佳的应变测点与温度测点进行了探究，同时通过研制多功能可升降电阻炉实现了高温热冲击实验中电阻应变计的温度补偿。 (2)基于热电偶以及红外热像仪测温方法，分别测量了动、静态服役过程中热障涂层表面的关键温度分布。研究表明，动态考核时热障涂层前缘温度大于尾缘，吸力面温度大于压力面；随着服役转速的增加，热障涂层表面的温度出现小幅降低。动态考核中热障涂层截面温差为103℃，高于静态测试242℃的截面温差。 (3)基于高温电阻应变计测量方法，确定了离心载荷与热载荷共同作用下电阻应变计的敷设安装方案，测量了带热障涂层涡轮叶片在高速旋转过程中叶背和叶盆位置的应变演化。结果表明，在应变测点位置相同时，靠近叶冠的区域具有较大的应变损伤。随着服役转速的增加，热障涂层形变显著增大，整体上前缘变形大于尾缘，吸力面大于压力面。在涡轮叶片不同的测量方向，与缘板平行方向具有最大的应变梯度。在执行转速快速变化的试车过程中，最大变形总是出现在转速峰值区。在随后的热疲劳循环过程中，工作叶片热障涂层经历128热冲击循环剥落失效，在失效之前的主应变演化范围为0.23%-0.82%，各测点所受均为拉伸变形，高于同等状态下静态热冲击考核的应变演化(0.04%-0.67%)。涂层失效位置在叶背靠近前缘处，失效原因是外力的冲击以及离心载荷作用下各类裂纹的快速扩展，涂层失效形式为减薄式剥落，最终从粘接层脱离。
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