【摘 要】
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热障涂层材料被广泛的应用在航空发动机的热端部件。由于航空发动机内部恶劣的服役环境,顶部陶瓷材料极易发生开裂,随着裂纹的扩展与连接,将导致热障涂层整体脱落。现今热障涂层中应用最广的陶瓷材料是7 wt%氧化钇部分稳定的氧化锆（7 wt%YSZ）,其独特的柱状晶结构表现出优异的铁弹畴形核增韧特性——在应力条件下裂纹尖端形核纳米尺度的铁弹畴,吸收应变能抑制裂纹进一步扩展。因此,本文旨在系统研究YSZ陶瓷材
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热障涂层材料被广泛的应用在航空发动机的热端部件。由于航空发动机内部恶劣的服役环境,顶部陶瓷材料极易发生开裂,随着裂纹的扩展与连接,将导致热障涂层整体脱落。现今热障涂层中应用最广的陶瓷材料是7 wt%氧化钇部分稳定的氧化锆（7 wt%YSZ）,其独特的柱状晶结构表现出优异的铁弹畴形核增韧特性——在应力条件下裂纹尖端形核纳米尺度的铁弹畴,吸收应变能抑制裂纹进一步扩展。因此,本文旨在系统研究YSZ陶瓷材料在复杂应力应变环境下裂纹尖端铁弹畴的形核机理及其转化规律,基于断裂力学及朗道相变理论,建立有限元算法的相场模型,模拟裂纹尖端铁弹畴的形核过程,深入研究YSZ材料铁弹增韧机制。本文研究了热障涂层材料YSZ各材料参数,包括弹性模量、晶胞参数、畴壁能量等,对铁弹增韧的影响。本文首先采用第一性原理计算了这些参数,然后采用相场孪晶变形模型（Phase Field Model of Deformation Twinning,PF-DT）研究其参数对铁弹增韧的影响,研究结果如下:（1）建立了三种类型氧化锆铁弹畴原子结构,弛豫后t1和t2类型的畴壁结构可以稳定存在,并计算了其畴壁能为77.5 mJ/m2;t2和t3搭建的畴壁原子结构在弛豫后变为单畴结构,畴壁是不稳定。计算了氧化锆晶胞参数和力学参数:其晶胞参数为a=5.034A、c=5.115A、c/a为1.016。计算的体模量（B）、剪切模量（G）、杨氏模量（E）、泊松比（v）分别为 218.24 GPa、92.47 GPa、243.09 GPa、0.31。（2）考虑系统为均匀各项同性时,在无缺陷固体中,形核应力是铁弹畴形核和扩展的主要因素。在裂纹尖端附近,裂纹诱导孪生（Fracture Induced Twinning,FIT）应力主导着铁弹畴转变的可能性。铁弹畴形核轮廓的大小受形核应力和远端SIF的控制。随着σnu∞/σy∞减小,铁弹畴形核轮廓将会扩展,当σnu∞=σy∞时,形核轮廓趋于无穷大。铁弹畴形核轮廓与应力条件σyA-σxA≥σnu∞有关。分析中能量有利的铁弹畴形成孪晶平面为θ=69.65°;在相场模拟中,实际孪晶平面为θ=45°。（3）考虑系统为各向同性非均质性时,通过使转变后铁弹畴变体比母相铁弹畴变体更软,可以同时降低形核应力和FIT应力,即降低弹性模量比参数α,但当α＜1裂纹尖端在铁弹畴转变过程中产生了反向屏蔽作用。考虑系统为各向异性非均质性时,铁弹转变阻力从裂纹尖端到远场边界变得不均匀。相场模拟结果表明,在铁弹畴转变过程中,降低C11和增加C33可以降低铁弹转变的阻力。（4）铁弹畴形核对裂纹尖端的屏蔽效应比非均质引起的模量增韧更重要。通过降低FIT应力和增加转变尾流中应力强度因子（Stress Intensity Factor,SIF）的变化,可以得到铁弹陶瓷的最佳增韧公式——可以通过降低铁弹材料的畴壁能和增加铁弹性材料的晶格c/a 比可以放大铁弹增韧效果。
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