渦輪葉片熱障涂層三維成像研究進(jìn)展*

（南昌航空大學(xué)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330063）

熱障涂層（Thermal Barrier Coatings,TBCs）是先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片高溫防護(hù)關(guān)鍵技術(shù)[1]，由陶瓷隔熱面層和金屬黏結(jié)底層組成，具有典型的層狀結(jié)構(gòu)特征。熱障涂層是美國(guó)NASA-Lewis 研究中心在20世紀(jì)50年代為了提高燃?xì)鉁u輪葉片、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的抗高溫和耐腐蝕性能提出的。據(jù)報(bào)道，通過(guò)使用熱障涂層技術(shù)，可使渦輪葉片基體溫度降低100～300℃，壽命延長(zhǎng)3～5倍，美國(guó)幾乎所有的軍用和商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)采用了熱障涂層技術(shù)。

熱障涂層結(jié)構(gòu)主要有雙層、多層和梯度系統(tǒng)3種形式[2-3]。典型雙層結(jié)構(gòu)涂層由涂覆在高溫合金基體上的陶瓷隔熱層和抗氧化黏結(jié)層構(gòu)成，其中陶瓷隔熱層以ZrO2為主要成分，厚度約90～300μm，起隔熱作用；黏結(jié)層為MCrAlY，厚度約25～150μm，起抗氧化腐蝕作用，實(shí)現(xiàn)隔熱層與基體合金熱膨脹系數(shù)的過(guò)渡，提高熱障涂層結(jié)合強(qiáng)度。熱障涂層制備方法主要有等離子噴涂法、物理氣相沉積法等，圖1為典型大氣等離子噴涂（Atmospheric plasma spraying，APS）和電子束物理氣相沉積（Electron beam physical vapor deposition，EB-PVD）熱障涂層微觀結(jié)構(gòu)形貌。

熱障涂層的三維結(jié)構(gòu)對(duì)其性能有非常重要的影響，直接影響熱障涂層的使用壽命。熱障涂層制備與使用過(guò)程中的主要問(wèn)題有[4]：

（1）孔隙的大小、數(shù)量、形狀和分布對(duì)熱障涂層的強(qiáng)度、隔熱等性能有極大影響，孔隙的存在容易導(dǎo)致熱障涂層服役過(guò)程中黏結(jié)層被氧化，孔隙率是反映涂層質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。

（2）熱障涂層厚度及均勻性分析對(duì)噴涂質(zhì)量表征有重要作用。熱障涂層厚度一般幾十微米到幾百微米，熱障涂層厚度偏厚或偏薄都將影響涂層隔熱效果及使用性能。

（3）黏結(jié)層的組織結(jié)構(gòu)決定了熱生長(zhǎng)氧化物（Thermally Grown Oxide，TGO）的形成機(jī)制、成分和微結(jié)構(gòu)，決定涂層的抗氧化性，黏結(jié)層的質(zhì)量決定了熱障涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度。

（4）熱生長(zhǎng)氧化物是陶瓷層與黏結(jié)層之間厚度約1～10μm的薄層結(jié)構(gòu)，主要成分為α-Al2O3等，是黏結(jié)層高溫氧化生成的[2]。TGO的三維分布及生長(zhǎng)行為會(huì)顯著影響熱障涂層的使用壽命。對(duì)于APS 涂層，氧化膜厚度達(dá)到3～5μm時(shí)，就容易引起陶瓷層的剝落。

（5）熱障涂層內(nèi)部缺陷，如微裂紋、界面分離、組分變化等，涂層內(nèi)的缺陷使得高溫服役環(huán)境下易產(chǎn)生局部破壞。

（6）熱障涂層的多界面形貌對(duì)其結(jié)合性能具有重要的影響。

上述問(wèn)題涉及熱障涂層的組成、結(jié)構(gòu)、形貌和缺陷等，可歸結(jié)為熱障涂層的三維層狀結(jié)構(gòu)表征。根據(jù)美國(guó)通用、普惠以及英國(guó)羅·羅等國(guó)際知名航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司建立的熱噴涂涂層最終質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)文件，涂層界面形貌、顯微結(jié)構(gòu)、結(jié)合強(qiáng)度以及涂層厚度等常作為關(guān)鍵質(zhì)量評(píng)定指標(biāo)，而這些指標(biāo)受三維結(jié)構(gòu)直接或間接影響。計(jì)算機(jī)斷層成像技術(shù)（Computed tomography，CT）能以二維斷層圖像或三維立體圖像的形式，清晰、準(zhǔn)確、直觀地展現(xiàn)被檢測(cè)物體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)、組成、材質(zhì)及缺損狀況[5]，在熱障涂層三維結(jié)構(gòu)分析上具有潛在的應(yīng)用前景。

熱障涂層微米CT成像

由于CT可以再現(xiàn)熱障涂層三維結(jié)構(gòu)的組成和分布等信息，國(guó)外較早使用微米CT 分析熱障涂層的三維結(jié)構(gòu)，設(shè)備包括高分辨率的顯微CT、納米CT、三維X射線顯微鏡等。2005年，Subramanian 等[6]提出了利用CT 對(duì)熱障涂層內(nèi)部微結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)的方法。由于熱障涂層厚度薄、黏結(jié)層與基體合金之間成像對(duì)比度小、分割困難，以及TGO 厚度僅有幾個(gè)微米等，需要微米CT 具有高成像空間分辨率，同時(shí)具有較高的成像襯度。傳統(tǒng)的顯微CT、納米焦點(diǎn)CT系統(tǒng)局限于幾何放大倍率，黏結(jié)層和基體之間成像襯度低，同時(shí)射線硬化等偽影影響嚴(yán)重，CT圖像質(zhì)量不高。

傳統(tǒng)顯微CT 包括微焦點(diǎn)X射線源、數(shù)字平板探測(cè)器、高精度旋轉(zhuǎn)臺(tái)等部件，它通過(guò)微米焦點(diǎn)X射線源發(fā)射錐形束射線照射樣品，使用數(shù)字平板探測(cè)器采集幾何放大的投影圖像，通過(guò)精密機(jī)械旋轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)，并采集多個(gè)不同角度的樣品投影圖像，通過(guò)錐束CT 重建算法，得到高分辨率斷層圖像序列，成像過(guò)程如圖2（a）所示。傳統(tǒng)顯微CT 系統(tǒng)往往需要通過(guò)高放大倍數(shù)（樣品需要靠近射線源）得到高分辨率，但樣品的尺寸受到限制。三維X射線顯微鏡是一種基于同步輻射光源先進(jìn)光學(xué)發(fā)展起來(lái)的新型顯微CT成像技術(shù)，融合了傳統(tǒng)顯微CT 與光學(xué)顯微鏡兩種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，采用了獨(dú)特的兩級(jí)放大技術(shù)（幾何放大和光學(xué)放大）[7]。首先，采用微焦點(diǎn)射線源對(duì)樣品進(jìn)行幾何放大成像，然后X射線被CCD（Charge coupled device）探測(cè)器接收，CCD 探測(cè)器的閃爍體將入射X射線轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)光，并通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行光學(xué)放大，最后將可見(jiàn)光傳送到CCD 芯片輸出圖像。通過(guò)精密機(jī)械旋轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)，并采集多個(gè)不同角度的投影圖像，通過(guò)錐束CT 重建算法，得到高分辨率斷層圖像序列，成像過(guò)程如圖2（b）所示。由于三維X射線顯微鏡的放大倍數(shù)是幾何放大倍數(shù)與光學(xué)放大倍數(shù)的乘積，降低了對(duì)幾何放大的依賴(lài)程度，具有很好的圖像襯度。CCD 探測(cè)器常用物鏡有10倍和40倍鏡頭，對(duì)較大尺寸樣品也能做到高放大倍數(shù)成像。

圖1 兩種典型熱障涂層形貌Fig.1 Two typical morphologies of TBCs

圖2 微米CT成像Fig.2 Micro-CT imaging

基于先進(jìn)的微米CT成像技術(shù)，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)Zhao 等[8]針對(duì)大氣等離子噴涂涂層樣品（陶瓷層200μm，黏結(jié)層150μm，基體5mm），切割樣品尺寸為0.8mm×1mm×6mm，采用顯微CT（CCD 探測(cè)器）研究了熱障涂層在1150℃不同熱處理時(shí)間（0h、20h、120h）后同一部位微結(jié)構(gòu)的變化，首次實(shí)現(xiàn)了雙層結(jié)構(gòu)涂層形貌三維可視化，計(jì)算得到表面粗糙度為17.2～17.5μm。敖波等[9]采用顯微CT（焦點(diǎn)尺寸4.5μm）對(duì)厚度1mm的單層涂層樣品進(jìn)行了三維重建，從CT圖像識(shí)別了孔隙。2015年，美國(guó)普惠公司Ahmadian 等[10-11]采用成像分辨率為0.76μm的三維X射線顯微鏡對(duì)熱障涂層高溫氧化后的熱生長(zhǎng)氧化物和熱障涂層熱循環(huán)產(chǎn)生的裂紋進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)表征，提取了陶瓷層中裂紋的三維形貌，揭示了APS 熱障涂層內(nèi)部微裂紋三維分布特征，結(jié)果表明微米CT 對(duì)TGO 和微裂紋三維分析是可行的。借助高分辨率的微米CT 設(shè)備，國(guó)外大量開(kāi)展了渦輪葉片熱障涂層三維結(jié)構(gòu)分析和TGO 結(jié)構(gòu)分析。Zhang 等[12]采用Xradia 公司Versa XRM-500 系統(tǒng)對(duì)鐵基噴涂涂層的孔隙體積、尺寸和分布進(jìn)行了量化表征，發(fā)現(xiàn)穿透孔隙對(duì)涂層厚度敏感。張小鋒等[13]采用三維X射線顯微鏡對(duì)950 ℃靜態(tài)氧化不同時(shí)間的熱障涂層樣品中TGO 厚度進(jìn)行無(wú)損測(cè)量，并對(duì)比了場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡二維圖像測(cè)量的TGO 厚度，結(jié)果表明，通過(guò)微米CT測(cè)量熱障涂層厚度是可行的。2016年，敖波等[14]采用北京同步輻射裝置X射線成像站的微米CT（Micro XCT-200）研究了雙層結(jié)構(gòu)熱障涂層的形貌、組成、厚度、孔隙及孔隙率等三維結(jié)構(gòu)特征，但黏結(jié)層和基體合金部分對(duì)比度不明顯，射線束硬化嚴(yán)重，增加了分割難度，成像質(zhì)量有待改進(jìn)。何深遠(yuǎn)[15]采用納米CT成像技術(shù)對(duì)APS 熱障涂層分別進(jìn)行了分辨率1.57μm 和0.99μm的三維成像（圖3（a）），通過(guò)三維分割技術(shù)獲得了陶瓷層、黏結(jié)層和基體的三維結(jié)構(gòu)及各薄層的厚度分布。鐘建蘭[4]采用微米CT 對(duì)APS 熱障涂層三維成像，獲取了高溫氧化24h的TGO 圖像（圖3（b））和三維形態(tài)，對(duì)TGO的厚度進(jìn)行了定量表征。古玉祺[16]采用三維X射線顯微鏡對(duì)高溫氧化8h 和48h的EBPVD 熱障涂層進(jìn)行三維成像，成像分辨率0.5μm，能清晰觀察到TGO（圖4），高溫氧化8h時(shí)TGO 厚度約1.98μm，高溫氧化48h時(shí)TGO 厚度約2.45μm。

圖3 APS熱障涂層三維成像Fig.3 Three dimensional imaging of APS thermal barrier coatings

圖4 EB-PVD熱障涂層高溫氧化后三維成像Fig.4 Three dimensional imaging of EB-PVD thermal barrier coatings after high temperature oxidation

熱障涂層同步輻射CT成像

計(jì)算機(jī)斷層成像是應(yīng)用廣泛的無(wú)損三維成像方法，隨著同步輻射技術(shù)的發(fā)展，具有高度準(zhǔn)直性、高強(qiáng)度、高亮度的同步輻射光束經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直器、單色器等作用可以得到單色光，是CT成像理想光源。同步輻射CT（Synchrotron radiation computed tomography，SR-CT）成像原理如下：同步輻射光源產(chǎn)生的平行光束穿過(guò)樣品到達(dá)CCD 探測(cè)器，得到投影圖像，通過(guò)精密機(jī)械旋轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)，采集多個(gè)不同角度的樣品投影圖像，應(yīng)用專(zhuān)用CT 重建算法，得到高分辨率斷層圖像序列，成像過(guò)程如圖5所示。同步輻射成像特點(diǎn)是光源到樣品的距離遠(yuǎn)大于樣品到探測(cè)器的距離，由于是平行光束，幾何放大倍數(shù)為1倍，需要通過(guò)光學(xué)鏡頭實(shí)現(xiàn)放大成像，同時(shí)由于是平行光，旋轉(zhuǎn)角度范圍一般為180°。

圖5 同步輻射CT成像示意圖Fig.5 Schematic of SR-CT

20世紀(jì)90年代，Spanne 等[17-18]利用美國(guó)布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的同步輻射光源NSLS 第一代顯微CT研究了等離子噴涂熱障涂層的內(nèi)部缺陷，基體為鋼，涂層為鈷基碳化鎢，樣品尺寸小于0.5mm，射線束平均能量為45keV，光束大小約3～4μm，空間分辨能力2～4μm，從CT圖像上識(shí)別了涂層內(nèi)部裂紋和孔隙，得出了不同樣品（內(nèi)部送粉和外部送粉制樣）的孔隙率不同。布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Jones 等[19]進(jìn)一步指出了同步輻射裝置在渦輪葉片熱障涂層微結(jié)構(gòu)分析研究上應(yīng)用的可行性。Kulkarni 等[20]采用美國(guó)APS 中心的同步輻射顯微CT 對(duì)熱障涂層（基體為鋼，隔熱層厚800μm，黏結(jié)層厚50μm）中孔隙尺寸、形態(tài)分布等進(jìn)行了量化分析，同年利用NSLSX27A 光束線的顯微CT 研究了3種熱噴涂氧化鋁涂層中的微結(jié)構(gòu)，成像分辨率達(dá)到2.7μm，并實(shí)現(xiàn)了3種涂層（厚度130μm）中的孔隙三維可視化[21]。2004年，Kulkarni[22]采用同步輻射顯微CT 對(duì)熱障涂層中的缺陷進(jìn)行了定量表征與可視化，在等溫退火下分析了時(shí)間與溫度對(duì)微結(jié)構(gòu)的影響。2005年，Kulkarni 等[23]利用美國(guó)APS 中心的同步輻射CT 切片圖像揭示了等離子噴涂涂層內(nèi)部的球形孔隙結(jié)構(gòu)。Sun[24]利用美國(guó)APS 中心2-BM 光束線站的顯微CT 對(duì)陶瓷涂層樣品進(jìn)行三維成像，射線能量為24keV，成像分辨率達(dá)到1.48μm，識(shí)別了22μm 和10μm的涂層厚度。美國(guó)西北大學(xué)Weyant等[25]利用阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室同步輻射光源1-ID 光束線的X射線衍射裝置，對(duì)熱障涂層熱處理112h 后的樣品進(jìn)行衍射分析得到TGO層的生長(zhǎng)正比于熱處理溫度。Amsellem等[26]利用ESRF-ID19 光束線的顯微CT 對(duì)氧化鋁涂層樣品（基體為鋼）三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，識(shí)別了樣品內(nèi)部的裂紋和孔隙。由于涂層樣品往往呈片狀，Maurel 等[27]采用同步輻射CL技術(shù)（Synchrotron-radiation computed laminography，SR-CL）對(duì)熱循環(huán)（1100℃）氧化后1h的薄板狀EB-PVD 熱障涂層樣品進(jìn)行三維表征，觀察到TGO（厚度約1.6μm）和IDZ（Interdiffusion Zone）結(jié)構(gòu)。Khoshkhou 等[28]通過(guò)同步輻射CT獲得了EB-PVD 熱障涂層不同氧化時(shí)間下的TGO 厚度，并對(duì)不同高溫氧化時(shí)間下的熱障涂層三維變形場(chǎng)進(jìn)行了研究。

近年來(lái)，隨著我國(guó)同步輻射技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)同步輻射光源有北京同步輻射裝置、合肥同步輻射裝置和上海同步輻射裝置等，開(kāi)展熱障涂層同步輻射成像的試驗(yàn)條件已經(jīng)具備。為了驗(yàn)證同步輻射CT成像效果，古玉祺[16]采用上海光源的X射線成像及生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用（BL13W1）光束線站對(duì)高溫氧化48h 后的EB-PVD 熱障涂層進(jìn)行同步輻射CT 三維成像，探測(cè)器采用日本Hamamatsu 公司的sCMOS 探測(cè)器，探測(cè)器單元尺寸為6.5μm，探測(cè)器矩陣為2048×2048，光斑出口至樣品距離為1.3m，將樣品臺(tái)的旋轉(zhuǎn)中心調(diào)整至探測(cè)器的中心位置，并調(diào)節(jié)樣品中心位置至旋轉(zhuǎn)中心，同步輻射CT 投影圖像采集參數(shù)如下：（1）光束能量為28keV；（2）光源到工件距離為34m；（3）工件到鏡頭距離為0.1m；（4）光學(xué)放大倍數(shù)為20倍；（5）視場(chǎng)大小為0.6mm；（6）像素大小為0.325μm；（7）曝光時(shí)間為3s。經(jīng)過(guò)180°投影采集得到1080 張投影圖像。經(jīng)過(guò)重建后得到切片圖像，圖6為不同高溫氧化時(shí)間下的EB-PVD 熱障涂層同步輻射CT圖像，可以看到明顯的環(huán)形偽影，對(duì)于EB-PVD 熱障涂層的各層結(jié)構(gòu)可以區(qū)分開(kāi)，但陶瓷層的柱狀晶不能很好地識(shí)別，由于重建分辨率的緣故，樣品的細(xì)節(jié)沒(méi)有很好地呈現(xiàn)。目前國(guó)內(nèi)可實(shí)現(xiàn)的單色光能量約為45～50keV，對(duì)熱障涂層等高密度材料穿透力較低。

熱障涂層FIB-SEM 三維成像

聚焦離子束-掃描電鏡（Focusedion beam-scanning electron microscopy，F(xiàn)IB-SEM）三維成像是一種有損的成像方式，通過(guò)聚焦離子束對(duì)物質(zhì)進(jìn)行刻蝕，并進(jìn)行SEM成像，通過(guò)連續(xù)切割成像，得到一系列SEM 圖像，通過(guò)電子圖像的堆疊重構(gòu)獲得物體的三維形貌，F(xiàn)IBSEM可以在納米尺度的分辨率下對(duì)材料進(jìn)行三維、高質(zhì)量、高穩(wěn)定性的顯微形貌觀察與分析。1998年，Sakamoto 等[29]使 用FIB-SEM成像技術(shù)對(duì)半導(dǎo)體材料的三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察。2001年，Inkson 等[30]通過(guò)FIB-SEM技術(shù)對(duì)鐵鋁基納米復(fù)合材料單晶顆粒進(jìn)行了成像，得到了其三維形貌。2004年，Holzer 等[31]采用FIB-SEM 三維成像技術(shù)對(duì)陶瓷材料進(jìn)行了檢測(cè)，獲得了多孔陶瓷材料中孔隙的三維分布狀況。2006年，Bansal 等[32]使用FIB-SEM 三維成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)了分辨率高達(dá)10nm的材料三維可視化。2016年，Song等[33-34]通過(guò)FIB-SEM 三維成像獲得了APS 熱障涂層的三維結(jié)構(gòu)，通過(guò)分割提取得到了TGO的三維結(jié)構(gòu)、組成及形態(tài)，以及陶瓷層中裂紋的形態(tài)。敖波等[35]實(shí)現(xiàn)了EB-PVD熱障涂層FIB-SEM 三維成像，分辨率達(dá)到20nm，獲得了EB-PVD 熱障涂層內(nèi)部TGO 形貌和柱間孔隙，并得到TGO層的平均厚度為2.37μm，所得的EB-PVD 熱障涂層FIB-SEM切片圖像和三維圖像見(jiàn)圖7和圖8。

采用微米CT、FIB-SEM 和同步輻射CT 對(duì)EB-PVD 熱障涂層三維成像對(duì)比結(jié)果表明，微米CT的單次成像范圍比FIB-SEM 要大，可以對(duì)熱障涂層厚度方向完整成像，F(xiàn)IBSEM的圖像質(zhì)量比微米CT 要高許多，對(duì)陶瓷層的柱間空隙觀察非常清晰，并且在FIB-SEM的圖像中觀察到了TGO/黏結(jié)層之間的微裂紋。同步輻射CT的成像范圍與微米CT相近，但偽影嚴(yán)重，且成像質(zhì)量不如微米CT。

圖6 不同氧化時(shí)間的EB-PVD熱障涂層同步輻射CT圖像Fig.6 SR-CT images of EB-PVD thermal barrier coatings with different oxidation time

圖7 EB-PVD熱障涂層FIB-SEM切片圖像Fig.7 Slice images of EB-PVD thermal barrier coatings by FIB-SEM

熱障涂層熱應(yīng)力有限元仿真

熱障涂層熱應(yīng)力有限元分析模型的準(zhǔn)確建立是熱應(yīng)力仿真研究的重要基礎(chǔ)，由于熱障涂層內(nèi)部孔隙、微裂紋的分布復(fù)雜無(wú)規(guī)則，且TGO界面形貌非常復(fù)雜，給數(shù)值仿真建模帶來(lái)了一定的困難，尤其是采用真實(shí)的熱障涂層微結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模。

王琳琳[36]采用CT 三維成像技術(shù)獲得熱障涂層真實(shí)界面形態(tài)，建立了三維有限元應(yīng)力分析模型，并利用生長(zhǎng)曲線模擬TGO 生長(zhǎng)，計(jì)算了真實(shí)陶瓷層與黏結(jié)層界面對(duì)雙層結(jié)構(gòu)熱障涂層熱應(yīng)力的影響。基于真實(shí)三維結(jié)構(gòu)建立有限元應(yīng)力分析模型的研究有利于三維熱障涂層熱應(yīng)力研究的發(fā)展。Sláme?ka 等[37]根據(jù)等離子噴涂涂層表面的凹凸形貌，建立了不規(guī)則的陶瓷層與黏結(jié)層界面的三維熱障涂層的有限元仿真模型。Zhu 等[38]建立了多層結(jié)構(gòu)熱障涂層的三維仿真模型，研究了三維渦輪葉片失效應(yīng)力的分布情況。Kyaw 等[39]根據(jù)TGO 表面的形態(tài)及粗糙度等特征進(jìn)行三維仿真建模，研究正弦、半圓的TGO 形貌對(duì)熱障涂層應(yīng)力的影響。Li 等[40]研究了應(yīng)力分布不連續(xù)性和褶皺界面對(duì)應(yīng)力的影響，基于X射線顯微鏡三維重建的熱障涂層結(jié)構(gòu)仿真來(lái)描述熱障涂層微結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布，研究發(fā)現(xiàn)陶瓷層中的孔隙對(duì)整個(gè)熱障涂層模型的應(yīng)力分布沒(méi)有明顯的影響，但褶皺的TGO 界面對(duì)應(yīng)力的影響較大。鐘建蘭等[41]等采用微米CT 對(duì)APS 熱障涂層三維成像獲取TGO 形貌，從而建立有限元模型進(jìn)行有限元應(yīng)力分析，仿真發(fā)現(xiàn)黏結(jié)層/TGO 界面處的應(yīng)力最大。敖波等[35]采用FIB-SEM 三維成像技術(shù)獲得了EB-PVD 熱障涂層中的真實(shí)TGO 三維結(jié)構(gòu)和柱間孔隙三維分布，建立了熱障涂層熱應(yīng)力有限元分析模型，分析了TGO 三維結(jié)構(gòu)和柱間孔隙三維分布對(duì)EB-PVD 熱障涂層熱應(yīng)力的影響，仿真結(jié)果得到TGO/黏結(jié)層界面的熱應(yīng)力大于陶瓷層/TGO 界面的熱應(yīng)力（圖9）。

圖9 EB-PVD熱障涂層熱應(yīng)力分布云圖Fig.9 Thermal stress distribution of EB-PVD thermal barrier coating

結(jié)論

本文對(duì)比了微米CT、同步輻射CT、FIB-SEM 這3種三維成像技術(shù)在熱障涂層三維結(jié)構(gòu)分析上的應(yīng)用，且簡(jiǎn)要敘述了基于工業(yè)CT成像結(jié)果的熱障涂層熱應(yīng)力有限元仿真分析現(xiàn)狀，得出以下結(jié)論。

（1）現(xiàn)有結(jié)果表明微米CT 能實(shí)現(xiàn)熱障涂層高分辨率三維成像，甚至能觀察到TGO 三維結(jié)構(gòu)。

（2）由于國(guó)內(nèi)同步輻射CT 最高能量約為45～50keV，對(duì)熱障涂層等高密度材料樣品穿透力受限，且環(huán)形偽影影響嚴(yán)重，需要優(yōu)化重建效果。

（3）FIB-SEM 雖然能得到超高分辨率切片圖像，但屬于有損分析，且一次分析范圍很小。

（4）對(duì)比同步輻射CT、FIB-SEM三維成像結(jié)果，微米CT 是目前非常有效的熱障涂層三維成像分析手段。

（5）基于工業(yè)CT成像結(jié)果重構(gòu)真實(shí)的熱障涂層多層結(jié)構(gòu)模型，并由此開(kāi)展TGO 引起的熱應(yīng)力有限元仿真分析，對(duì)預(yù)測(cè)熱障涂層失效有重要作用。目前為止，還沒(méi)有非常合適的熱障涂層三維結(jié)構(gòu)模型來(lái)描述熱障涂層真實(shí)TGO 動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)的有限元熱應(yīng)力分析，如何獲得同一個(gè)樣品在不同高溫氧化時(shí)間的TGO 三維形貌至關(guān)重要，且采用無(wú)損檢測(cè)方法實(shí)現(xiàn)TGO 生長(zhǎng)過(guò)程的有效動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)是亟須解決的問(wèn)題，可能是未來(lái)熱障涂層無(wú)損檢測(cè)的重點(diǎn)研究方向。