熱障涂層破壞機理及實驗表征方法研究.doc[記錄圖表]

1、推薦國家自然科學獎項目公示項目名稱熱障涂層破壞機理及實驗表征方法研究推薦單位湖南省科學技術廳推薦單位意見：我單位認真閱讀了該項目推薦書及附件材料，確認全部材料真實有效，有關欄目均符合國家科學技術獎勵工作辦公室的填寫要求。作為提升服役溫度最切實可行的辦法，熱障涂層已成為世界各國航空發(fā)動機必不可少的隔熱防護材料，但涂層剝落是制約其發(fā)展與應用的瓶頸，開展極其復雜服役環(huán)境下、極其復雜熱障涂層體系的破壞機理及實驗表征方法研究，是國家重大需求急需解決的關鍵問題，也是固體力學研究領域的巨大挑戰(zhàn)，具有重要的科學與工程意義。該成果由湘潭大學獨立完成，針對我國航空發(fā)動機熱障涂層的重大需求、涂層剝落瓶頸突出的問題，

2、1999年開始最早在國內從材料和力學交叉的角度，系統(tǒng)、深入地開展熱障涂層破壞機制、優(yōu)劣評價指標與實驗表征方法的研究，且始終堅持與工程實際緊密結合，解決涂層剝落這一工程問題后的重大科學問題，并服務于工程，取得系列有影響力的創(chuàng)新成果：(1)發(fā)現(xiàn)并闡明了“熱障涂層剝落發(fā)生于飛機服役后的停機階段”這一破壞機制，極大地打破了科學界關于失效發(fā)生于服役過程的常識；(2)發(fā)現(xiàn)了失效模式只依賴于應力波信號頻率的新現(xiàn)象，揭示出熱障涂層服役壽命決定于界面裂紋擴展模式與速率的機制；(3)系統(tǒng)建立了我國熱障涂層試車前性能、損傷與機制檢測、分析的方法、模型與試驗平臺，解決了定量評價涂層性能與損傷的關鍵與科學問題，突破了國

3、際熱障涂層試驗裝置對我國的封鎖，為我國熱障涂層的工藝改進、破壞預報與安全應用提供重要指導，保障了多種型號航空發(fā)動機熱障涂層的研制、生產與應用。上述成果在IJP、IJSS等國際力學權威刊物發(fā)表論文81篇，他引798次，8篇代表性論文他引281次，其中SCI他引228次；且廣泛應用于我國發(fā)動機企業(yè)與研究機構，為熱障涂層的安全應用提供了關鍵支撐。2015年由航空發(fā)動機領域的劉大響院士、李應紅院士、力學領域的方岱寧院士組成的鑒定專家組認為：整體技術達到國際先進水平。該項目獲2014年度湖南省自然科學獎一等獎。對照國家自然科學獎授獎條件，推薦該項目申報2017年度國家自然科學獎二等獎。項目簡介：本領域屬

4、于固體力學和材料學交叉的研究領域。自主研制高性能航空發(fā)動機是提高我國國防實力與核心競爭力的重中之重，服役溫度最高的一盤(渦輪盤)兩片(導向、工作葉片)始終是制約發(fā)動機的短板。世界航空推進計劃的三大隔熱防護技術中，單晶與冷卻氣膜的發(fā)展?jié)摿σ逊浅Ｓ邢?，熱障涂層成為提升服役溫度最切實可行的辦法。但應用有熱障涂層的一盤兩片等部件，幾何形狀、微觀結構極為復雜，除了高溫，還需面臨極高壓力(2個三峽大壩)、極高氣流速度(8-17級大風)、2-5萬轉速等極端惡劣的服役環(huán)境，造成涂層發(fā)生極其復雜的剝落。極其復雜環(huán)境下、復雜熱障涂層體系的界面斷裂、強度及其表征方法與平臺是解決涂層剝落的關鍵，也是固體力學領域面臨的

5、巨大挑戰(zhàn)?；诖?，本項目以復雜環(huán)境下熱障涂層的界面破壞機制為核心，以指導工藝與應用為目標，在服役環(huán)境下的破壞機制、微結構演變、試驗方法與平臺等方面取得了系列創(chuàng)新成果，在多種型號航空發(fā)動機熱障涂層研制、批量生產與應用中發(fā)揮重要作用，取得顯著軍事效益。(1) 發(fā)現(xiàn)了熱障涂層剝落發(fā)生于飛機服役后停機過程的新機制，極大地打破了科學界關于失效發(fā)生于服役過程的常識?；跓崃Νh(huán)境下體系的應力場分析，得出長時間蠕變、氧化與熱失配機制下涂層及界面的壓應力將使得涂層發(fā)生屈曲失效，為這一機制的理解給出了理論解釋。進一步提出了界面熱力屈曲斷裂的理論與實驗方法，觀察并闡明了剝落于卸載的現(xiàn)象與物理機制，為理解熱障涂層剝落

6、的科學本質提供指導與方向。兩篇代表論文他引93次，并作為重要章節(jié)錄入Progress in Gas Turbine Performance、Encyclopedia of Thermal Stresses等專著。(2) 發(fā)現(xiàn)了裂紋模式只依賴于應變能釋放頻率的新現(xiàn)象，以此為依據(jù)建立了高溫服役環(huán)境下熱障涂層裂紋萌生與擴展的聲發(fā)射實時表征方法。進一步建立了熱力載荷作用下涂層開裂、界面剝離的斷裂力學模型，闡明了熱/力/氧化及多場耦合下熱障涂層微結構演變的規(guī)律與機制，建立了熱力環(huán)境下熱障涂層關鍵損傷的破壞機制圖，為涂層服役壽命取決于界面裂紋的機制提供實驗依據(jù)。這方面的成果受到熱障涂層領域M. Watan

7、abe、C.V. Ramana等著名學者的重點引用。(3) 系統(tǒng)建立了定量評價熱障涂層性能與損傷、可等效模擬熱障涂層服役環(huán)境并實時檢測其失效過程的試驗方法與平臺，解決了壓痕法表征涂層力學性能不唯一、定量表征模型與方法匱乏的關鍵科學與工程問題，突破了國際熱障涂層試驗模擬技術對我國的封鎖，為我國熱障涂層的工藝改進、破壞預報與安全應用提供重要指導。目前項目成果已廣泛應用于多個大型發(fā)動機企業(yè)與科研機構，在多種型號航空發(fā)動機熱障涂層研制、批量生產與應用中發(fā)揮重要作用，取得顯著軍事效益。上述成果在IJP、IJSS等國際力學權威刊物發(fā)表論文81篇，他引798次，8篇代表性論文他引281次，其中SCI他引22

8、8次；包括美國NASA的D.M. Zhu，日本東京工業(yè)大學K. Kishlmoto、德國于利希能源研究中心J. Malzbender等熱障涂層領域10余個課題組，以及C.V. Ramana、方岱寧、王鐵軍、魏悅廣等院士與著名學者正面引用與積極評價。發(fā)動機領域劉大響院士、李應紅院士，力學領域方岱寧院士等鑒定專家組認為：成果整體技術達到國際先進水平，在界面力學性能表征、聲發(fā)射高溫實時檢測方面達到國際領先水平，且在型號發(fā)動機熱障涂層研產中發(fā)揮了重要作用。客觀評價：1. 國家計劃項目驗收結論書 【附件6-1】2010 年12 月，本項目任務來源之一的國家基金委杰出青年基金項目“新型材料的力學問題”通過

9、國家基金委組織的驗收，驗收專家組組長為我國力學領域著名專家、西安電子科技大學校長鄭曉靜院士，方岱寧、亢一瀾、魏悅廣、王鐵軍等力學專家為核心組員，驗收成績?yōu)閮?yōu)秀。主要成果包括：發(fā)展了涂層薄膜體系界面結合性能表征的理論模型；對熱障涂層的破壞機制進行了系統(tǒng)研究等等。2. 獲獎情況 【附件6-2】2014年，本項目相關成果“熱障涂層破壞機制及實驗表征方法研究”獲湖南省自然科學獎一等獎。3. 成果鑒定 【附件6-3】2015年9月，湖南省經信委組織了鑒定專家組對項目所涉及到的性能表征方法與實時檢測技術進行了鑒定，由我國發(fā)動機著名專家劉大響院士、李應紅院士，力學領域著名專家方岱寧院士，中國南方動力機械研究

10、所所鐘濱濤副總師，國防科技大學唐國金教授，北京航空航天大學郭洪波教授，中航工業(yè)南方航空工業(yè)(集團)有限公司汪云程首席專家組成的鑒定專家組認為：該技術成果為國內首創(chuàng)，整體技術達到國際先進水平，在界面力學性能表征、聲發(fā)射高溫實時檢測方面達到國際領先水平。4. 國際同行評價意見 【附件2-1至2-8】項目研究成果得到了國內外熱障涂層領域十多個課題組的高度評價與引用，包括美國NASA的S. R. Choi、D. M. Zhu教授課題組，英國帝國理工學院G. Ptaszek教授組，美國得克薩斯州大學C.V. Ramana教授組，德國布倫瑞克工業(yè)大學Martin Bker教授組，日本東京工業(yè)大學的K. K

11、ishlmoto教授組，德國Forschungszentrum Jlich GmbH中心的Jrgen Malzbender教授課題組，中國科學院力學研究所魏悅廣研究員，西安交通大學王鐵軍教授課題組，廣州有色金屬研究院周克崧院士課題組，上海硅酸鹽研究所丁傳賢院士課題組等等。(1) 法國里昂中央理工學院的D. Treheux教授在論文Surf. Coat. Technol. 2004, 187: 185-193中對代表性論文1給予了正面的評價：“關于TBCs的熱疲勞的綜述性文章很多，但是幾乎沒有用聲發(fā)射的方法去表征TBCs的熱疲勞失效14”,美國德克薩斯大學的A. Muliana教授更給予了極高的

12、評價：“Zhou等人是少有的研究功能梯度材料高溫蠕變殘余應力效應的學者之一”?！靖郊?-1】(2) 希臘佩特雷大學N. K. Anifantis教授在其論文Comput Struct, 2005, 83(45):303中高度評價了代表性論文2，指出：“研究熱載荷下二維塊體結構裂紋閉合的情況時，由于裂紋面接觸問題是一個高度非線性問題，Zhou等人不僅考慮了熱載荷引起的裂紋面閉合問題，而且還推導出相應的解析解16，是非常少有的工作?！薄靖郊?-2】(3) 美國麻省理工學院Mostafa A. El-Sayed教授在論文ACS Appl. Mater. Interfaces, 2011,3(4):9

13、52中引用我們的代表性論文3成功解釋了用CVD法在鈦基底上制備薄膜的失效問題30”?！靖郊?-3】(4) 中國科學院上海硅酸鹽研究所丁傳賢院士課題組論文Thermal Spray Technol.2015, 19: 911-920，引用了我們關于聲發(fā)射斷裂分析的8篇文章(包括代表論文4)達17處，引文指出：“The wavelet transformation technique is successful for analyzing the transient AE signal in order to further understand the dynamic failure behav

14、ior of as-sprayed TBCs”?！靖郊?-4】(5) 美國緬因大學的Z.-H. Jin教授在論文Surf. Coat. Technol. 2008, 202: 4189-4197中高度認可了代表性論文5，并大篇幅引用我們的結果與其進行比較，其數(shù)值結果很好的與我們的實驗結果吻合，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 ob

15、served 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”?！靖郊?-5】(6) 韓國首爾漢陽大學J.Jang教授等人先后在其系列論文Scripta M

16、ater., 2011, 65(4):300、J. Mater. Res., 2011, 27(1):3、Int. J. Plasticity, 2013, 41(0):53，反復引用我們代表作6的結果、分析模型和觀點，來解釋他們實驗中有關納米尺度下金屬材料壓痕尺度效應及變形機理。【附件2-6】(7) 美國布朗大學Sheldon 教授在論文Acta Mater. 2004, 52: 3507-3517中引用了我們代表作7殘余應力的表征模型，并將其結果與我們的結果進行對比，引文指出 “Zhou et al. 32 performed similar experiments on the PZT/

17、Si system. In these works, the crack length data and residual stresses are reported.”?！靖郊?-7】(8) 巴西聯(lián)邦大學的Carlos教授在論文Surf. Coat. Technol. 2006, 201: 1695-1703中對我們的代表性論文8大加贊賞，指出：“我們的黑鉻轉化涂層在Zn-Fe薄膜制備過程中有關鍵作用，該處理方法對Zn-Fe合金的耐腐蝕性能有顯著提高”。【附件2-8】5. 用戶評價意見【附件6-4】項目整體技術已廣泛應用于貴陽中航工業(yè)精密鑄造有限公司、北京金輪坤天特種機械有限公司、北京航空材

18、料研究院、中國南方動力機械研究所、中航工業(yè)南方航空工業(yè)(集團)有限公司、沈陽黎明航空發(fā)動機設計所、國防科技大學航天系等大型發(fā)動機企業(yè)與科研機構，獲得這些部門的高度評價。北京金輪坤天特種機械有限公司表示：我公司在高性能航空發(fā)動機XX10系列渦輪葉片表面制備等離子熱障涂層的研究中，采用湘潭大學的熱障涂層性能檢測與評價項目完成了制備工藝參數(shù)的優(yōu)化及涂層性能檢測與評價，獲得了綜合性能較好的熱障涂層，滿足設計要求，在我國XX10渦輪葉片表面圖層上獲得了批產應用。北京金輪坤天特種機械有限公司表示：項目在熱障涂層材料、工藝的研發(fā)過程中發(fā)揮了巨大的指導作用；在多種型號渦輪葉片熱障涂層的批量生產中起到質量控制與

19、保障作用，為該公司近三萬片葉片熱障涂層的生產、檢測、分析與安全應用，以及近億元的經濟效益提供保障。代表性論文專著目錄（不超過8篇）序號論文專著名稱/刊名/作者影響因子年卷頁碼（xx年xx卷xx頁）發(fā)表時間年月日通訊作者第一作者國內作者SCI他引次數(shù)他引總次數(shù)知識產權是否歸國內所有1Thermal fatigue failure induced by delamination in thermal barrier coating/ International Journal of Fatigue/ Y. C. Zhou, T. Hashida. 2.1622002年24卷407-417頁2002

20、年7月周益春周益春1924是2Coupled effects of temperature gradient and oxidation on thermal stress in thermal barrier coating system /International Journal of Solids and Structures/ Y. C. Zhou, T. Hashida2.0812001年38卷4235-4264頁2001年04月21日周益春周益春3341是3Modeling of residual stresses variation with thermal cycling i

21、nthermal barrier coatings/Mechanics of Materials/W. G. Mao, Y. C. Zhou, L. Yang, X. H. Yu2.6362006年38卷1118-1127頁2005年11月20日周益春毛衛(wèi)國楊麗，虞學紅1727是4Real-time acousticemission testing basedon wavelet transformfor the failure processof thermal barriercoatings/Applied Physics Letters/L.Yang, Y. C. Zhou, W.G.

22、Mao, C. Lu3.1422008年93卷231906頁2008年10月10日周益春楊麗毛衛(wèi)國，盧春生1921是5Fracture characteristics of thermal barrier coatings after tensile and bending tests/Surface & Coatings Technology/Y. C. Zhou, T. Tonomori, A. Yoshida, L. Liu, G. Bignall, T. Hashida.2.1392002年157卷第118-127頁2002年6月周益春周益春3645是6Indentation scal

23、e dependence of tip-in creep behavior in Ni thin films/ Scripta Materialia/ Z. S. Ma, S. G. Long, Y. C. Zhou, Y. Pan3.3052008年59卷 195198頁2008年7月龍士國馬增勝周益春，潘勇2730是7Residual stresses in PZT thin films prepared by pulsed laser deposition / Surface and Coating Technology / Y. C. Zhou, Z. Y. Yang, X. J. Z

24、heng 2.1392003年162卷 202-211頁2003年1月20日周益春周益春楊志益，鄭學軍3842是8Characterization of black chromate conversion coating on the electrodeposited zinciron alloy / Applied Surface Science / Z. L. Long, Y. C. Zhou, L. Xiao3.152003年218卷 124137頁2003年9月30日龍志林龍志林周益春，肖亮3951是合計228281承諾：上述論文專著用于推薦國家自然科學獎的情況，已征得未列入項目主要完

25、成人的作者的同意。知識產權歸國內所有，且不存在爭議。 第一完成人簽名：主要完成人情況：1. 周益春，排名1，湘潭大學校長，教授，工作單位：湘潭大學，完成單位：湘潭大學。該項目負責人，是項目整體研究計劃、方案和實施的提出者與指導者。對科學發(fā)現(xiàn)一、二、三均有重要貢獻，是科學發(fā)現(xiàn)一的主要完成者，同時是科學發(fā)現(xiàn)二、三思想的提出者以及指導者。發(fā)現(xiàn)了熱障涂層剝落發(fā)生于飛機服役后停機過程的新機制，基于熱力環(huán)境下體系的應力場分析，得出長時間蠕變、氧化與熱失配機制下涂層及界面的壓應力將使得涂層發(fā)生屈曲失效，為這一機制的理解給出了理論解釋。在此基礎上，提出了界面屈曲分析涂層剝落失效的理論與實驗方法。同時對熱障涂層

26、微結構演變機制、服役環(huán)境模擬方法提出指導。8篇代表性論文中有第一作者4篇，通訊作者6篇。2. 毛衛(wèi)國，排名2，教授，工作單位：湘潭大學，完成單位：湘潭大學。對科學發(fā)現(xiàn)一、二有貢獻，建立了熱障涂層熱力屈曲失效的加速實驗方法、理論模型與數(shù)值仿真，揭示了不同服役環(huán)境下熱障涂層熱力屈曲的失效模式、失效準則與失效機制。在熱障涂層關鍵力學性能的壓痕法表征方法、表征試驗平臺方面做出重要貢獻。此外，在高溫服役環(huán)境下熱障涂層應變場的數(shù)字散斑實時表征方面做出了貢獻。3. 楊麗，排名3，教授，工作單位：湘潭大學，完成單位：湘潭大學。對科學發(fā)現(xiàn)二、三做出了創(chuàng)新性貢獻：首次在國際上建立了熱障涂層高溫服役環(huán)境下裂紋演化的

27、聲發(fā)射實時檢測方法，發(fā)現(xiàn)了裂紋模式只依賴于應變能釋放的頻率這一現(xiàn)象；得到了熱障涂層服役環(huán)境下微結構與損傷的演化規(guī)律；建立了熱障涂層可等效模擬典型服役環(huán)境的低成本試驗方法與關鍵損傷在線檢測技術，提煉出熱障涂層抗剝落性能優(yōu)劣的關鍵指標。4. 馬增勝，排名4，副教授，工作單位：湘潭大學，完成單位：湘潭大學。對科學發(fā)現(xiàn)三做出了創(chuàng)新性貢獻：揭示了熱障涂層原子尺度、微觀尺度及宏觀尺度下界面氧化、涂層腐蝕、熱失配的損傷模式，建立了表面裂紋、界面裂紋與層間剝離等關鍵模式的破壞機制圖，提煉出界面剝落關鍵的影響因素是斷裂韌性與殘余應力。在綜合考慮應變梯度塑性理論和基底效應的情況下，建立了壓痕法表征微尺度薄膜/基底體系關鍵因素的理論模型、實驗方法與試驗平臺，解決了困擾材料界、力學界20多年的唯一性問題。完成人合作關系說明本人作為該項目的第一完成人，先后培養(yǎng)了第二完成人、第三完成人、第四完成人，在研究熱障涂層破壞機理、研發(fā)新型實驗測試表征技術、研制新型實驗設備方面共同開展合作工作，共同署名發(fā)表文章、申請國家專利。本人對上述申請內容真實性負責。 第一完成人簽名： 完成人合作關系情況匯總表序號合作方式合作者（項目排名）合作時間合作成果證明材料備注1論文合著毛衛(wèi)國/ 排名第二2005年4月Modeling o