热障涂层破坏机理及实验表征方法研究

项目名称 推荐单位 推荐单位意见： 我单位认真阅读了该项目推荐书及附件材料，确认全部材料真实有效，有关栏目均符合国家科学技术奖励工作办公室的填写要求。 作为提升服役温度最切实可行的办法，热障涂层已成为世界各国航空发动机必不可少的隔热防护材料，但涂层剥落是制约其发展与应用的瓶颈，开展极其复杂服役环境下、极其复杂热障涂层体系的破坏机理及实验表征方法研究，是国家重大需求急需解决的关键问题，也是固体力学研究领域的巨大挑战，具有重要的科学与工程意义。 该成果由湘潭大学独立完成，针对我国航空发动机热障涂层的重大需求、涂层剥落瓶颈突出的问题，1999年开始最早在国内从材料和力学交叉的角度，系统、深入地开展热障涂层破坏机制、优劣评价指标与实验表征方法的研究，且始终坚持与工程实际紧密结合，解决涂层剥落这一工程问题后的重大科学问题，并服务于工程，取得系列有影响力的创新成果：(1)发现并阐明了“热障涂层剥落发生于飞机服役后的停机阶段”这一破坏机制，极大地打破了科学界关于失效发生于服役过程的常识；(2)发现了失效模式只依赖于应力波信号频率的新现象，揭示出热障涂层服役寿命决定于界面裂纹扩展模式与速率的机制；(3)系统建立了我国热障涂层试车前性能、损伤与机制检测、分析的方法、模型与试验平台，解决了定量评价涂层性能与损伤的关键与科学问题，突破了国际热障涂层试验装置对我国的封锁，为我国热障涂层的工艺改进、破坏预报与安全应用提供重要指导，保障了多种型号航空发动机热障涂层的研制、生产与应用。 上述成果在IJP、IJSS等国际力学权威刊物发表论文81篇，他引798次，8篇代表性论文他引281次，其中SCI他引228次；且广泛应用于我国发动机企业与研究机构，为热障涂层的安全应用提供了关键支撑。2015年由航空发动机领域的刘大响院士、李应红院士、力学领域的方岱宁院士组成的鉴定专家组认为：整体技术达到国际先进水平。该项目获2014年度湖南省自然科学奖一等奖。 对照国家自然科学奖授奖条件，推荐该项目申报2017年度国家自然科学奖二等奖。 热障涂层破坏机理及实验表征方法研究 湖南省科学技术厅 项目简介： 本领域属于固体力学和材料学交叉的研究领域。 自主研制高性能航空发动机是提高我国国防实力与核心竞争力的重中之重，服役温度最高的一盘(涡轮盘)两片(导向、工作叶片)始终是制约发动机的短板。世界航空推进计划的三大隔热防护技术中，单晶与冷却气膜的发展潜力已非常有限，热障涂层成为提升服役温度最切实可行的办法。但应用有热障涂层的一盘两片等部件，几何形状、微观结构极为复杂，除了高温，还需面临极高压力(2个三峡大坝)、极高气流速度(8-17级大风)、2-5万转速等极端恶劣的服役环境，造成涂层发生极其复杂的剥落。极其复杂环境下、复杂热障涂层体系的界面断裂、强度及其表征方法与平台是解决涂层剥落的关键，也是固体力学领域面临的巨大挑战。基于此，本项目以复杂环境下热障涂层的界面破坏机制为核心，以指导工艺与应用为目标，在服役环境下的破坏机制、微结构演变、试验方法与平台等方面取得了系列创新成果，在多种型号航空发动机热障涂层研制、批量生产与应用中发挥重要作用，取得显著军事效益。 (1) 发现了热障涂层剥落发生于飞机服役后停机过程的新机制，极大地打破了科学界关于失效发生于服役过程的常识。基于热力环境下体系的应力场分析，得出长时间蠕变、氧化与热失配机制下涂层及界面的压应力将使得涂层发生屈曲失效，为这一机制的理解给出了理论解释。进一步提出了界面热力屈曲断裂的理论与实验方法，观察并阐明了剥落于卸载的现象与物理机制，为理解热障涂层剥落的科学本质提供指导与方向。两篇代表论文他引93次，并作为重要章节录入《Progress in Gas Turbine Performance》、《Encyclopedia of Thermal Stresses》等专著。 (2) 发现了裂纹模式只依赖于应变能释放频率的新现象，以此为依据建立了高温服役环境下热障涂层裂纹萌生与扩展的声发射实时表征方法。进一步建立了热力载荷作用下涂层开裂、界面剥离的断裂力学模型，阐明了热/力/氧化及多场耦合下热障涂层微结构演变的规律与机制，建立了热力环境下热障涂层关键损伤的破坏机制图，为涂层服役寿命取决于界面裂纹的机制提供实验依据。这方面的成果受到热障涂层领域M. Watanabe、. Ramana等著名学者的重点引用。 (3) 系统建立了定量评价热障涂层性能与损伤、可等效模拟热障涂层服役环境并实时检测其失效过程的试验方法与平台，解决了压痕法表征涂层力学性能不唯一、定量表征模型与方法匮乏的关键科学与工程问题，突破了国际热障涂层试验模拟技术对我国的封锁，为我国热障涂层的工艺改进、破坏预报与安全应用提供重要指导。目前项目成果已广泛应用于多个大型发动机企业与科研机构，在多种型号航空发动机热障涂层研制、批量生产与应用中发挥重要作用，取得显著军事效益。 上述成果在IJP、IJSS等国际力学权威刊物发表论文81篇，他引798次，8篇代表性论文他引281次，其中SCI他引228次；包括美国NASA的. Zhu，日本东京工业大学K. Kishlmoto、德国于利希能源研究中心J. Malzbender等热障涂层领域10余个课题组，以及. Ramana、方岱宁、王铁军、魏悦广等院士与著名学者正面引用与积极评价。发动机领域刘大响院士、李应红院士，力学领域方岱宁院士等鉴定专家组认为：成果整体技术达到国际先进水平，在界面力学性能表征、声发射高温实时检测方面达到国际领先水平，且在型号发动机热障涂层研产中发挥了重要作用。 客观评价： 1. 国家计划项目验收结论书 【附件6-1】 2010 年12 月，本项目任务来源之一的国家基金委杰出青年基金项目“新型材料的力学问题”通过国家基金委组织的验收，验收专家组组长为我国力学领域著名专家、西安电子科技大学校长郑晓静院士，方岱宁、亢一澜、魏悦广、王铁军等力学专家为核心组员，验收成绩为优秀。主要成果包括：发展了涂层薄膜体系界面结合性能表征的理论模型；对热障涂层的破坏机制进行了系统研究等等。 2. 获奖情况 【附件6-2】 2014年，本项目相关成果“热障涂层破坏机制及实验表征方法研究”获湖南省自然科学奖一等奖。 3. 成果鉴定 【附件6-3】 2015年9月，湖南省经信委组织了鉴定专家组对项目所涉及到的性能表征方法与实时检测技术进行了鉴定，由我国发动机著名专家刘大响院士、李应红院士，力学领域著名专家方岱宁院士，中国南方动力机械研究所所钟滨涛副总师，国防科技大学唐国金教授，北京航空航天大学郭洪波教授，中航工业南方航空工业(集团)有限公司汪云程首席专家组成的鉴定专家组认为：该技术成果为国内首创，整体技术达到国际先进水平，在界面力学性能表征、声发射高温实时检测方面达到国际领先水平。 4. 国际同行评价意见 【附件2-1至2-8】 项目研究成果得到了国内外热障涂层领域十多个课题组的高度评价与引用，包括美国NASA的S. R. Choi、D. M. Zhu教授课题组，英国帝国理工学院G. Ptaszek教授组，美国得克萨斯州大学. Ramana教授组，德国布伦瑞克工业大学Martin Bäker教授组，日本东京工业大学的K. Kishlmoto教授组，德国Forschungszentrum Jülich GmbH中心的Jürgen Malzbender教授课题组，中国科学院力学研究所魏悦广研究员，西安交通大学王铁军教授课题组，广州有色金属研究院周克崧院士课题组，上海硅酸盐研究所丁传贤院士课题组等等。 (1) 法国里昂中央理工学院的D. Treheux教授在论文Surf. Coat. Technol. 2004, 187: 185-193中对代表性论文1给予了正面的评价：“关于TBCs的热疲劳的综述性文章很多，但是几乎没有用声发射的方法去表征TBCs的热疲劳失效[14]”,美国德克萨斯大学的A. Muliana教授更给予了极高的评价：“Zhou等人是少有的研究功能梯度材料高温蠕变残余应力效应的学者之一”。【附件2-1】 (2) 希腊佩特雷大学N. K. Anifantis教授在其论文Comput Struct, 2005, 83(4–5):303中高度评价了代表性论文2，指出：“研究热载荷下二维块体结构裂纹闭合的情况时，由于裂纹面接触问题是一个高度非线性问题，Zhou等人不仅考虑了热载荷引起的裂纹面闭合问题，而且还推导出相应的解析解[16]，是非常少有的工作。”【附件2-2】 (3) 美国麻省理工学院Mostafa A. El-Sayed教授在论文ACS Appl. Mater. Interfaces, 2011,3(4):952中引用我们的代表性论文3成功解释了用CVD法在钛基底上制备薄膜的失效问题[30]”。【附件2-3】 (4) 中国科学院上海硅酸盐研究所丁传贤院士课题组论文Thermal Spray Technol. 2015, 19: 911-920，引用了我们关于声发射断裂分析的8篇文章(包括代表论文4)达17处，引文指出：“The wavelet transformation technique is successful for analyzing the transient AE signal in order to further understand the dynamic failure behavior of as-sprayed TBCs”。【附件2-4】 (5) 美国缅因大学的. Jin教授在论文Surf. Coat. Technol. 2008, 202: 4189-4197中高度认可了代表性论文5，并大篇幅引用我们的结果与其进行比较，其数值结果很好的与我们的实验结果吻合，引文指出：“Zhou et al. [35] experimentally studied fracture behavior of FGM coatings (ZrO2/NiCrAlY system) as well as conventional homogeneous coatings. They observed that macroscopic, multiple surface cracks first formed in the thickness direction of the coatings when subjected to mechanical or thermal shock loads….......The numerical results of present study agree qualitatively with these experimental observations”。【附件2-5】 (6) 韩国首尔汉阳大学教授等人先后在其系列论文Scripta Mater., 2011, 65(4):300、J. Mater. Res., 2011, 27(1):3、Int. J. Plasticity, 2013, 41(0):53，反复引用我们代表作6的结果、分析模型和观点，来解释他们实验中有关纳米尺度下金属材料压痕尺度效应及变形机理。【附件2-6】 (7) 美国布朗大学Sheldon 教授在论文Acta Mater. 2004, 52: 3507-3517中引用了我们代表作7残余应力的表征模型，并将其结果与我们的结果进行对比，引文指出 “Zhou et al. [32] performed similar experiments on the PZT/Si system. In these works, the crack length data and residual stresses are reported.......”。【附件2-7】 (8) 巴西联邦大学的Carlos教授在论文Surf. Coat. Technol. 2006, 201: 1695-1703中对我们的代表性论文8大加赞赏，指出：“我们的黑铬转化涂层在Zn-Fe薄膜制备过程中有关键作用，该处理方法对Zn-Fe合金的耐腐蚀性能有显著提高”。【附件2-8】 5. 用户评价意见【附件6-4】 项目整体技术已广泛应用于贵阳中航工业精密铸造有限公司、北京金轮坤天特种机械有限公司、北京航空材料研究院、中国南方动力机械研究所、中航工业南方航空工业(集团)有限公司、沈阳黎明航空发动机设计所、国防科技大学航天系等大型发动机企业与科研机构，获得这些部门的高度评价。 北京金轮坤天特种机械有限公司表示：我公司在高性能航空发动机XX10系列涡轮叶片表面制备等离子热障涂层的研究中，采用湘潭大学的热障涂层性能检测与评价项目完成了制备工艺参数的优化及涂层性能检测与评价，获得了综合性能较好的热障涂层，满足设计要求，在我国XX10涡轮叶片表面图层上获得了批产应用。 北京金轮坤天特种机械有限公司表示：项目在热障涂层材料、工艺的研发过程中发挥了巨大的指导作用；在多种型号涡轮叶片热障涂层的批量生产中起到质量控制与保障作用，为该公司近三万片叶片热障涂层的生产、检测、分析与安全应用，以及近亿元的经济效益提供保障。 代表性论文专著目录（不超过8篇） 发表时间年月日 知识产权是否归国内所有 序号 论文专著 名称/刊名 /作者 影响因子 年卷页码 （xx年xx卷 xx页） 通讯作者 第一作者 国内作者 SCI 他引次数 他引总次数 Thermal fatigue failure induced by delamination in thermal 1 barrier coating/ International Journal of Fatigue/ Y. C. Zhou, T. Hashida. Coupled effects of temperature gradient and oxidation on thermal 2 stress in thermal barrier coating system /International Journal of Solids and Structures/ Y. C. Zhou, T. Hashida Modeling of residual stresses variation with thermal cycling 3 inthermal barrier coatings/Mechanics of Materials/W. G. Mao, Y. C. Zhou, L. Yang, X. H. Yu Real-time acousticemission testing basedon wavelet 4 transformfor the failure processof thermal barriercoatings/Applied Physics Letters/, Y. C. Zhou, . Mao, C. Lu Fracture characteristics of thermal barrier coatings after 5 tensile and bending tests/Surface & Coatings Technology/Y. C. Zhou, T. Tonomori, A. Yoshida, L. Liu, G. Bignall, T. Hashida. 2002年157卷第118-127页 2002年周周益益 36 45 是 2008年93卷231906页 2006年38卷1118-1127页 2001年38卷4235-4264页 2001年04月21日 2005年 11月 20日 2008年10月10日 周益春 益卫春 国 杨周毛丽，虞学红 毛卫杨国，丽 卢春生 19 21 是 17 27 是 周周益益春 春 33 41 是 2002年24卷407-417页 2002年周周益益 19 24 是 7月 春 春 6月 春 春 Indentation scale dependence of 6 tip-in creep behavior in Ni thin films/ Scripta Materialia/ Z. S. Ma, S. G. Long, Y. C. Zhou, Y. Pan Residual stresses in PZT thin films prepared by pulsed laser 7 deposition / Surface and Coating Technology / Y. C. Zhou, Z. Y. Yang, X. J. Zheng Characterization of black chromate conversion coating on 8 the electrodeposited zinc–iron alloy / Applied Surface Science / Z. L. Long, Y. C. Zhou, L. Xiao 合计 周2008年59卷 195–198页 2008年龙马益27 30 是 潘勇 2003年162卷 202-211页 2003年1月20日 2003年9月30日 龙龙林 林 周周益益春 春 杨志益，郑学军 周益39 51 是 肖亮 228 281 志志春，38 42 是 士增春，7月 国 胜 2003年218卷 124–137页 承诺：上述论文专著用于推荐国家自然科学奖的情况，已征得未列入项目主要完成人的作者的同意。知识产权归国内所有，且不存在争议。 第一完成人签名： 主要完成人情况： 1. 周益春，排名1，湘潭大学校长，教授，工作单位：湘潭大学，完成单位：湘潭大学。该项目负责人，是项目整体研究计划、方案和实施的提出者与指导者。对科学发现一、二、三均有重要贡献，是科学发现一的主要完成者，同时是科学发现二、三思想的提出者以及指导者。发现了热障涂层剥落发生于飞机服役后停机过程的新机制，基于热力环境下体系的应力场分析，得出长时间蠕变、氧化与热失配机制下涂层及界面的压应力将使得涂层发生屈曲失效，为这一机制的理解给出了理论解释。在此基础上，提出了界面屈曲分析涂层剥落失效的理论与实验方法。同时对热障涂层微结构演变机制、服役环境模拟方法提出指导。8篇代表性论文中有第一作者4篇，通讯作者6篇。 2. 毛卫国，排名2，教授，工作单位：湘潭大学，完成单位：湘潭大学。对科学发现一、二有贡献，建立了热障涂层热力屈曲失效的加速实验方法、理论模型与数值仿真，揭示了不同服役环境下热障涂层热力屈曲的失效模式、失效准则与失效机制。在热障涂层关键力学性能的压痕法表征方法、表征试验平台方面做出重要贡献。此外，在高温服役环境下热障涂层应变场的数字散斑实时表征方面做出了贡献。 3. 杨丽，排名3，教授，工作单位：湘潭大学，完成单位：湘潭大学。对科学发现二、三做出了创新性贡献：首次在国际上建立了热障涂层高温服役环境下裂纹演化的声发射实时检测方法，发现了裂纹模式只依赖于应变能释放的频率这一现象；得到了热障涂层服役环境下微结构与损伤的演化规律；建立了热障涂层可等效模拟典型服役环境的低成本试验方法与关键损伤在线检测技术，提炼出热障涂层抗剥落性能优劣的关键指标。 4. 马增胜，排名4，副教授，工作单位：湘潭大学，完成单位：湘潭大学。对科学发现三做出了创新性贡献：揭示了热障涂层原子尺度、微观尺度及宏观尺度下界面氧化、涂层腐蚀、热失配的损伤模式，建立了表面裂纹、界面裂纹与层间剥离等关键模式的破坏机制图，提炼出界面剥落关键的影响因素是断裂韧性与残余应力。在综合考虑应变梯度塑性理论和基底效应的情况下，建立了压痕法表征微尺度薄膜/基底体系关键因素的理论模型、实验方法与试验平台，解决了困扰材料界、力学界20多年的唯一性问题。 完成人合作关系说明 本人作为该项目的第一完成人，先后培养了第二完成人、第三完成人、第四完成人，在研究热障涂层破坏机理、研发新型实验测试表征技术、研制新型实验设备方面共同开展合作工作，共同署名发表文章、申请国家专利。 本人对上述申请内容真实性负责。 第一完成人签名： 完成人合作关系情况汇总表 序号 1 合作者 合作方式 （项目排名） 毛卫国 / 排名 第二 合作时间 合作成果 证明材料 备注 论文 合著 2005Modeling of residual 代表年4stresses variation with 性论月 thermal cycling in 文3 thermal barrier coatings 2008Real-time acoustic 代表年10emission 性论月 testing based on wavelet 文4 transform for the failure process of thermal barrier coatings 2007Indentation scale 代表年11dependence of tip-in 性论creep behavior in Ni thin 文6 月 films 2 论文 合著 杨丽 / 排名 第三 3 论文 合著 马增胜 / 排名 第四 承诺：本人作为项目第一完成人，对本项目完成人合作关系及上述内容的真实性负责，特此声明。 第一完成人签名： 知情同意证明 周益春教授已与我沟通过2017年度国家自然科学奖的报奖事宜。本人作为一篇学术论文“[1] Z. L. Long*, Y. C. Zhou, L. Xiao. Characterization of black chromate conversion coating on the electrodeposited zinc–iron alloy. Applied Surface Science, 2003, 218: 124-137.的第一作者及通讯作者，完全同意项目组使用这篇论文作为报奖支撑材料，且本人不参与报奖排名。 特此证明！ 通讯作者(签字)： 年 月 日 知情同意证明 周益春教授已与我沟通过2017年度国家自然科学奖的报奖事宜。本人作为一篇学术论文“[1] Z. S. Ma, S. G. Long*, Y. C. Zhou, Y. Pan. Indentation scale dependence of tip-in creep behavior in Ni thin films. Scripta Materialia, 2008, 59(2):195-198.的通讯作者，完全同意项目组使用这篇论文作为报奖支撑材料，且本人不参与报奖排名。 特此证明！ 通讯作者(签字)： 年 月 日