熱障涂層的研究始于20世紀(jì)40年代,在航空、航天、車輛、船舶等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。所謂熱障涂層,是指由金屬黏結(jié)層(如NiCrCoaly)和高熔點(diǎn)陶瓷(如Y2部分穩(wěn)定的zr2)表面層組成的涂層系統(tǒng),作用于發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件可起到良好的隔熱作用。以航空發(fā)動(dòng)機(jī)為例,隨著其向高流量比、高推重比等更高性能方向發(fā)展,在發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件表面制備熱障涂層已成為保證發(fā)動(dòng)機(jī)使用安全性和可靠性的關(guān)鍵因素。

　　熱障涂層的制備方法很多,主要有等離子噴涂法、氣相沉積法(cVD、PνD或PCVD法)、高溫自蔓延合成法、粒子排列法、粉未冶金法和離心鑄造法等。而在制備熱障涂層方面,等離子噴涂法具有明顯的優(yōu)勢(shì)。如圖1-1所示,等離子噴涂法利用噴槍產(chǎn)生的直流電弧加熱工作氣體(氬氣(A)、氦氣(He)等或其混合氣體),通過離化和復(fù)合反應(yīng)獲得超高溫(通常在10000C以上)和高速等離子射流熔化由載氣送入的陶瓷、金屬粉體材料,并最終使之與基體碰撞形成涂層。此外,等離子噴涂法還具有零件無變形、涂層種類多、工藝穩(wěn)定、零件尺寸不受限制及涂層質(zhì)量髙等諸多優(yōu)點(diǎn),是目前制備熱障涂層最實(shí)用的一種途徑。

　　采用等離子噴涂法制備熱障涂層,所涉及的物理和化學(xué)過程十分復(fù)雜,其中包括等離子射流的生成,射流與噴涂顆粒之間的傳熱、傳質(zhì)及動(dòng)量傳遞,顆粒與基體的相互作用,以及熱障涂層的形成等,使得理論研究工作長(zhǎng)時(shí)間滯后于技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展,許多噴涂現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)仍有待深入探索。所以長(zhǎng)期以來,工程師們一直都是憑經(jīng)驗(yàn)和直覺甚至反復(fù)試驗(yàn)去加工,以獲得所期望的熱障涂層,這樣往往費(fèi)工費(fèi)錢。隨著計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)的發(fā)展,利用數(shù)值模擬的方法進(jìn)行虛擬加工,以尋求更優(yōu)的工藝方案,不僅可以提高產(chǎn)品加工質(zhì)量,而且可以縮短研制周期,降低成本。

　　不僅如此,熱障涂層的服役環(huán)境極度惡劣,通常要承受熱沖擊高溫氧化、熱腐蝕等多種侵害,加之涂層本身為多層結(jié)構(gòu),不同層之間的材料性能不同,使熱障涂層在實(shí)際服役過程中承受著復(fù)雜的應(yīng)力場(chǎng)作用,最終導(dǎo)致熱障涂層易過早剝落失效。通過數(shù)值模擬方法對(duì)涂層的關(guān)鍵熱物理性能、力學(xué)性能及服役壽命等進(jìn)行有效預(yù)測(cè),揭示其失效機(jī)理,確定其主控因素,進(jìn)而改進(jìn)涂層制備工藝,具有十分重要的工程指導(dǎo)價(jià)值。