摘要
摘要
燃气轮机作为现代生产和运输系统的核心动力装备之一，能够提供强大动力
及高效率，在航空航海、民用发电等方面有着广阔的应用前景，一直以来备受研究
者的关注。作为燃气轮机的重要组成部分，热障涂层（ThermalBarrierCoatings，
TBC）材料在实际高温工况下发生的微观结构和力学性能变化会深刻的影响燃气
轮机的性能和寿命。对其进行更加深入的研究能够为提高燃气轮机结构可靠性、延
长其使用寿命提供强有力的理论支撑。氧化钇稳定氧化锆（YttriaStabilizedZirconia，
YSZ）作为热障涂层材料中应用最广泛的成分，在高温长时间工况下会发生亚稳态
?
四方相到四方相和立方相（MetastableTetragonal-Cubic+Tetragonal，T-C+T）相
?
变，大幅影响其电化学以及力学相关性能。因此研究YSZ高温下的T-C+T相变对
于改善燃气轮机的燃烧温度及服役寿命具有重要意义。
目前大部分关于热障涂层性能的研究都是基于实验手段，较少涉及理论建模。
本文基于相场法理论，建立了YSZ中T?-C和?非扩散相变模型，以及致密YSZ
T-T
3+?
中耦合钇离子（Y）偏析的T-C+T扩散相变模型。同时，基于微观精准三维重构
技术（FIB-SEM）所得的热障涂层结构，对真实多孔YSZ和受热生长氧化物层中
?
AlO材料热膨胀系数不匹配引起的热失配作用下的T-C+T相变过程进行了模拟。
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基于模拟结果，建立了威布尔失效概率预测模型，对不同晶粒大小、孔隙率以及热
失配作用下真实微结构的力学失效概率进行了讨论。
计算结果显示单晶YSZ会在结构内部形核处长出自我调节的C相和T相变体
??
结构，T-C相变在母相与变体界处产生较大应力，T-T相变在变体交界处产生较
大应力。由于Y3+倾向于向晶界处偏析，致密多晶及真实多孔结构YSZ相变中变
体的产生和分布位置受到Y3+浓度的调控，富钇位置主要生成较大的C相变体，贫
钇位置主要生成较小的T相变体。相比于自由状态下变体的生长状态，热失配作
用下变体的成核位置倾向于在YSZ和基底材料交界处，且生长类型会发生变化，
变体生长速度也明显加快。基于威布尔失效概率分析表明，真实微结构的力学失效
概率会随着相变的发生快速上升，大晶粒尺寸、孔隙和热失配会引起应力集中，最
大失效概率会随着晶粒尺寸变大、孔隙增加以及热失配的作用明显增加，其中层间
热失配是材料失效的主要原因。
关键词：相场法；热障涂层；氧化钇稳定氧化锆；扩散相变；力学性能
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Abstract
Abstract
Asoneofthecorepowerequipmentofmodernproductionandtransportation
systems,gasturbineiscapableofprovidingpowerfulpowerandhighefficiency,andhas
broadapplicationprospectsinaviationandnavigation,civilpowergeneration,etc.Itha