热障涂层(tbcs)因其优异的隔热性能，广泛应用于燃气涡轮发动机的高温部件，显著提升发动机效率和性能。然而，高温服役环境下，氧化等因素导致涂层与基体界面裂纹扩展，最终造成涂层脱落。因此，评估界面失效行为至关重要。现有的常温测试方法难以应用于高温环境，而一些高温测试方法又难以精准分离界面断裂。压痕法作为一种微纳米尺度测试技术，广泛应用于热障涂层力学性能测试，但高温下难以精确表征涂层断裂形貌，限制了其应用。
北京理工大学先进结构技术研究院方岱宁院士团队，基于高温X射线成像和原位压痕加载装置，创新性地发展了高温原位界面压痕法，实现了热障涂层高温界面韧性的定量表征，并揭示了其高温界面失效模式。研究成果发表在《Journal of the Mechanics and Physics of Solids》期刊上（https://www.php.cn/link/22831c6e4371c1cc55f8d95704523d6c）。
该研究提出了一种基于X射线成像的高温界面压痕方法(图1)，用于研究热障涂层在高温下的界面失效行为。研究人员在常温、400℃和800℃下进行了原位界面压痕测试，并通过X射线成像实时监测界面断裂过程。 一种创新的数字X线摄影垂直度校正方法，确保了高温下界面压痕过程中涂层面外位移的精确测量。CT实验结果显示，界面裂纹呈半椭圆形扩展，高温下裂纹扩展长度显著增加。
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图1 基于X射线成像的高温界面压痕方法
研究团队利用有限元方法定量分析了压痕过程中的能量演化和应力分布，计算得到不同温度下的复合应力强度因子(SIF)、混合模态角和界面韧性。结果表明，界面韧性与温度密切相关：室温到400℃变化较小，400℃到800℃急剧下降(图2)。 基于实验数据，研究人员建立了热障涂层界面韧性随温度变化的预测模型。
图2 不同温度下热障涂层的界面韧性。红线表示界面韧性随温度变化的预测模型。
研究还深入分析了不同温度下界面失效过程和裂纹扩展路径(图3)，并利用原位CT表征了不同温度下涂层内部缺陷。结果表明，裂纹扩展路径的变化部分源于内部缺陷的演变。最终，研究揭示了不同温度下界面裂纹的竞争机制，以及界面韧性与失效模式之间的映射关系(图4)。
图3 不同温度下的界面裂纹扩展路径
图4 界面裂纹扩展路径与界面韧性的映射关系
这项研究成果加深了对高温环境下涂层失效机理的理解，为设计研发更耐高温、高韧性涂层材料提供了重要的数据支撑和理论参考。
