一、导读
热障涂层（TBC）是航空发动机及燃气轮机涡轮叶片的关键防护层，为其能在远超金属熔点的极端高温环境下稳定工作提供了可能。然而，由热膨胀失配、热生长氧化物（TGO）动态生长及涂层内部微缺陷共同作用产生的复杂内应力，常导致涂层微裂纹、剥落等过早失效，成为制约其寿命的瓶颈。传统二维模型难以捕捉热生长氧化物的动态演化和涂层内部孔隙的三维特性，限制了对真实应力机制的解析。
近日，福建省太赫兹功能器件与智能传感重点实验室主任，钟舜聪教授团队，在材料科学权威期刊《Materials & Design》（JCR Q1，IF:7.9）发表了题为“Stress evolution during three-dimensional dynamic growth of thermal barrier coatings under isothermal cyclic field”的研究论文。论文建立了考虑TGO动态生长、材料蠕变、多种三维孔隙形貌及孔隙-界面粗糙度耦合作用的三维有限元分析模型，研究了陶瓷层孔隙与界面粗糙度的耦合作用机制，系统揭示了等温热循环作用下TBC内部的应力演化机理。结果表明，TGO生长持续提升界面应力，而蠕变则提供关键松弛效应；孔隙显著放大应力幅值，其形貌和取向对局部应力集中起决定性作用；界面粗糙度与孔隙之间存在强非线性耦合，在特定粗糙度比值下协同效应达到峰值。研究成果为提升热障涂层的耐久性和寿命设计提供了基础理论依据和工程指导。论文第一作者为实验室副主任王冰教授，第二作者为余聪硕士研究生，实验室关成龙讲师、张鑫讲师、许占文副研究员和钟舜聪教授等对论文的基础理论做出重要贡献。
二、内容简介
研究基于ABAQUS有限元分析平台，通过UEXPAN子程序创新性地实现了热生长氧化物的三维动态生长模拟，并引入Norton蠕变律描述各层材料的高温蠕变效应，突破了以往研究中将热生长氧化物简化为静态层的局限。为了贴近真实的大气等离子喷涂工艺制备的热障涂层微观结构，模型不仅构建了具有三维余弦波形态的涂层/粘结层界面，还通过布尔运算在陶瓷层内部引入了球形、圆锥形、椭球形（不同取向）和立方体等多种形态的孔隙，系统研究了它们对应力场的作用机制。同时，通过改变界面波幅（A）与波长（L）的比值，并在不同界面粗糙度下引入孔隙率相同的孔隙，探究了界面粗糙度与孔隙的耦合作用机制。
图1 三维热障涂层有限元模型及多形态孔隙分布示意图
关键成果一：TGO动态生长与蠕变的“博弈”主导界面应力演化
研究量化了TGO蠕变速率对界面应力的作用机制。结果表明，TGO的持续增厚是界面应力升高的主要驱动力，而高温蠕变则提供了关键的应力松弛机制。二者存在一个最优的“博弈”平衡点：当蠕变速率过低时，应力无法有效释放；当蠕变速率过高时，虽能松弛应力，但会意外加速热生长氧化物的异常增厚，反而可能导致结构失稳和过早失效。这为通过材料设计调控TGO蠕变性能指明了方向。
图2 不同热生长氧化物蠕变速率下陶瓷层波谷处的应力演化机制
关键成果二：三维孔隙的“形貌密码”决定应力集中效应
研究对比分析了六种不同三维孔隙形态对应力分布的影响。在相同孔隙率下，孔隙的存在会显著放大陶瓷层内的局部应力，且其放大效应与孔隙形貌和取向强相关。其中，尖端向上的圆锥形孔隙和水平取向的椭球形孔隙引发的应力集中最为严重。这意味着，在涂层制备过程中，控制孔隙形态与取向，与调控孔隙率同等重要。
图3 不同孔隙形态对陶瓷层应力演化的影响机制
关键成果三：界面粗糙度与孔隙存在“非线性”协同效应
研究发现，界面粗糙度（波幅A）与内部孔隙并非独立作用。当二者耦合时，对界面应力的放大效应呈现非单调性。在特定界面形貌下（本研究中当波长/波幅比L/A=10时），孔隙带来的应力增幅达到峰值。这表明，在设计涂层时，单纯追求降低界面粗糙度并非最优解，必须结合涂层固有的孔隙特征，寻找使两者协同破坏效应最弱的“黄金”界面形貌，从而实现涂层整体寿命的最大化。
图4 界面粗糙度与孔隙的耦合效应：在特定粗糙度（A=8 μm）下，孔隙引起的应力增量达到最大，揭示了二者的非线性协同机制
三、总结
本研究通过构建高保真三维有限元模型，成功“透视”了热障涂层在复杂服役环境下的内部应力场。研究揭示了TGO动态生长-蠕变、孔隙形貌-取向、界面粗糙度-孔隙耦合这三组核心矛盾体的作用机制。特别是发现了孔隙形貌的“密码效应”和界面粗糙度与孔隙的“非线性协同峰值”，为建立更精确的涂层寿命预测模型奠定了坚实的理论基础。
研究成果为服务于航空发动机和燃气轮机等国家重大工程需求，提供了直接的理论指导：在材料改性方面，通过合金成分优化，调控粘结层的热生长氧化物蠕变性能，使其处于最佳“博弈”区间，避免因过度蠕变导致的热生长氧化物异常生长；在优化制备工艺方面，指明在大气等离子喷涂工艺中，除了控制孔隙率，更应关注并优化孔隙形态，以降低潜在裂纹源；在界面设计方面，打破“界面越平越好”的传统认知，提出结合涂层固有孔隙特征，设计能最小化耦合增应力的“最优”界面粗糙度，为长寿命运维涂层的仿生界面设计提供了新思路。
本研究工作得到了国家自然科学基金、福建省自然科学基金等项目的资助。未来，团队将进一步引入陶瓷烧结、裂纹扩展等多尺度损伤机制，构建从应力演化到失效破坏的全过程分析模型，并发展相应的跨尺度应力本构理论，为突破我国航空发动机热端部件寿命瓶颈贡献福大智慧。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.matdes.2026.115523
