热障涂层凭借其卓越的隔热性能，广泛应用于燃气涡轮发动机的高温部件中，显著提升了发动机的效率和性能。然而，在高温服役环境下，由于粘结层氧化等作用，热障涂层与基体之间的界面裂纹会逐渐扩展，最终导致涂层剥落。因此，界面失效行为的评估已成为热障涂层研究的核心问题之一。目前，常温下用于表征热障涂层界面失效的测试方法难以适用于高温环境，而一些高温测试方法则难以实现单纯的界面断裂。作为一种微纳米尺度的测试方法，压痕法在热障涂层力学性能测试中得到了广泛应用。通过界面压痕法，可以获得热障涂层完整的界面裂纹。然而，界面压痕法在高温条件下难以精确测试涂层断裂形貌，导致其应用受限。因此，在高温条件下对热障涂层界面失效行为进行定量研究仍面临巨大挑战。
北京理工大学先进结构技术研究院方岱宁院士课题组曲兆亮副教授等人基于高温X射线成像和原位压痕加载装置，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，得到了热障涂层的高温界面失效模式。研究成果以“Interfacial failure behavior of thermal barrier coatings (TBCs) at high temperatures: an in-situ indentation study based on X-ray imaging”为题发表于固体力学领域顶级期刊《Journal of the Mechanics and Physics of Solids》（https://doi.org/10.1016/j.jmps.2024.105647）。
本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（TBCs）的高温界面失效行为。开展了常温、400℃和800℃下热障涂层的原位界面压痕测试。通过X射线成像对热障涂层高温界面断裂过程进行了实时监测。提出了一种数字X线摄影垂直度校正方法，实现了高温下界面压痕过程中热障涂层面外位移的精确测试。CT实验结果表明，界面压痕法得到的热障涂层界面裂纹呈半椭圆形扩展，随着温度的升高，裂纹扩展的长度显著增加。
图1 基于X射线成像的高温界面压痕方法
研究通过有限元方法定量分析了压痕过程中热障涂层的能量演化和应力分布，得到了不同温度下涂层的复合应力强度因子（SIF）、混合模态角和界面韧性数值。发现热障涂层的界面韧性与温度密切相关，从室温到400°C，界面韧性变化较小，从400°C到800°C，界面韧性急剧下降（图2）。基于测试结果，提出了一种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。
研究了界面失效过程随温度的演变行为，获得了不同温度下裂纹扩展路径（图3）。利用原位CT对不同温度下TC的内部缺陷进行了表征，发现裂纹扩展路径的改变可部分归因于内部缺陷的演变。获得了不同温度下界面裂纹的竞争机制，揭示了界面韧性与失效模式的映射关系（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
该研究成果有助于加深高温环境下涂层失效机理的认识，为更耐高温、韧性更强涂层材料的设计研发提供了数据支撑和机理参考。
