先进燃气轮机设计制造基础专著系列：热障涂层强度理论与检测技术 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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王铁军，范学领 等 著

图书标签:

• 燃气轮机
• 热障涂层
• 强度理论
• 检测技术
• 材料科学
• 航空发动机
• 机械工程
• 涂层技术
• 高温材料
• 可靠性

出版社： 西安交通大学出版社

ISBN：9787560594729

版次：1

商品编码：12174193

包装：精装

丛书名： 先进燃气轮机设计制造基础专著系列

开本：16开

出版时间：2016-12-01

用纸：胶版纸

页数：500

字数：598000

正文语种：中文

内容简介

　　热障涂层技术是重型燃气轮机研发中的六大核心技术之一。
　　《先进燃气轮机设计制造基础专著系列：热障涂层强度理论与检测技术》详细介绍了近年来在热障涂层强度理论与检测技术方面的理论、数值和实验研究成果。主要内容包括热障涂层的高温氧化行为，热障涂层制备过程中的热应力，热障涂层系统中的热生长氧化应力，热障涂层系统中的表面、界面裂纹及其相互竞争，层级热障涂层系统中的应力和裂纹问题，热障涂层的烧结和冲蚀损伤，涂层系统的强度评价与无损检测方法。相关研究对未来先进热障涂层的设计、制备及强度评价具有借鉴意义。
　　《先进燃气轮机设计制造基础专著系列：热障涂层强度理论与检测技术》可为从事重型燃气轮机、航空发动机等领域热障涂层技术的工程技术人员和科研人员提供参考。

内页插图

目录

前言/序言

　　燃气轮机是清洁高效火电能源系统的核心动力装备之一。从燃气轮机的发展历程来看，透平前燃气温度代表了燃气轮机的技术水平，人们在不断追求燃气温度的提高。目前，F级重型燃气轮机的燃气温度为1400℃，G／H/J级已达1500～1600℃，未来将高达1700℃及以上。这种极端高温服役环境对透平叶片的强度、设计和制造提出了严峻挑战。要进一步提高透平前燃气温度，有以下几个途径可供选择：①开发能够承受更高温度的高温合金叶片材料，但成本高，周期长；②制备单晶或定向晶叶片，但难度大，成品率低；③采用高效的叶片内部冷却结构与气膜冷却技术，这会大大增加叶片的制造成本；④采用先进的热障涂层（Thermalbarriercoating，TBC）技术。相比而言，TBC技术成本较低，效果明显，是发展先进重型燃气轮机的核心技术之一。
　　TBC技术的主要思想是将高温环境下具有较低热导率和较高稳定性的材料覆盖于基材表面形成热障层。TBC不仅具有热障效果，而且还能防止氧化、腐蚀、外来物冲蚀等对叶片造成的损伤。20世纪50年代以来，TBC技术就受到了广泛关注并得到迅速发展，在燃气轮机发展进程中发挥了重要作用。随着先进重型燃气轮机的研发，对TBC技术提出了更高要求。因此，深入研究TBC的强度理论和检测技术，对其设计、制备及强度评价具有重要意义，对燃气轮机的安全服役具有重要作用。
　　2006年本项目组承担了我国重型燃气轮机制造基础研究的第一个国家973计划项目，2012年得到持续支持，分别以F级重型燃气轮机（透平前燃气温度1400℃）和J级重型燃气轮机（透平前燃气温度1600℃）为背景，研究了稳定高效热障系统的制备方法、强度理论及检测技术。我们拟通过本专著来总结十余年来的研究成果。
　　全书共分为九章和一个附录。第1章是TBC系统结构、制备方法与典型失效模式，由王铁军、范学领撰写。第2章是TBC系统的高温氧化，由丁秉钧、梁工英、白宇、唐健江撰写。第3章是TBC制备过程中的热应力，由王铁军、宋岩撰写。第4章是TBC系统中的热生长应力，由王铁军、孙永乐撰写。第5章是TBC系统中的裂纹问题，由王铁军、范学领撰写。第6章是梯度TBC系统中的应力和裂纹问题，由王铁军、范学领、宋岩撰写。第7章是TBC系统的烧结与外来物损伤，由王铁军、范学领、吕伯文撰写。第8章是TBC强度评价，由王铁军、范学领撰写。第9章是TBC定量无损检测技术，由陈振茂、李勇撰写。附录部分介绍了涂层断裂分析中的相关数值计算方法，由范学领、侯成撰写。全书由王铁军统稿。
　　本专著得到了国家出版基金和国家重点基础研究发展计划的支持，在撰写、编辑及出版过程中，得到许多专家学者的无私帮助，在此表示感谢。在本书撰写过程中，张伟旭、李彪、苏罗川、李群、江鹏、李定骏、裴翠祥等提供了相关资料帮助，刘鹏飞、王销彬、王晓康等在修改相关图的格式方面提供了帮助，在此一并致谢。特别感谢西安交通大学出版社给予的重视和支持，以及相关人员付出的辛勤劳动。
　　希望本书能为我国燃气轮机的热障涂层技术提供借鉴，能为从事重型燃气轮机、航空发动机及其他相关领域的技术人员、专家学者等提供参考。本书也可供相关专业人员及高等院校研究生参考。
　　鉴于作者水平有限，缺点和错误在所难免，恳请读者批评指正。

先进燃气轮机设计制造基础专著系列：热障涂层强度理论与检测技术 引言 在现代能源领域，燃气轮机作为高效、清洁发电的重要设备，其性能的提升与可靠性的保障至关重要。随着航空发动机和工业燃气轮机工作温度的不断提高，高温部件的热防护技术成为制约燃气轮机性能突破的关键瓶颈。热障涂层（Thermal Barrier Coatings, TBCs）因其优异的隔热性能，在大幅提升涡轮叶片等关键部件的耐热能力、延长设备寿命、提高燃气轮机整体效率方面发挥着不可替代的作用。 本书“热障涂层强度理论与检测技术”系“先进燃气轮机设计制造基础专著系列”中的一卷，旨在深入探讨热障涂层在极端高温、高压、腐蚀性工作环境下的力学行为，以及如何通过先进的检测手段来评估其完整性与服役状态。本书不包含具体的设计制造流程、材料配方细节，也不涉及燃气轮机的整体系统集成或特定型号的详细参数，而是专注于理解和掌握热障涂层这一核心功能性材料在强度方面的科学机理与评估方法。 第一章：热障涂层概述与服役环境分析 本章首先简要回顾热障涂层的基本概念、发展历程及其在现代燃气轮机中的重要地位。重点将围绕燃气轮机高温部件所面临的严酷服役环境展开深入分析。这包括但不限于： 高温腐蚀与氧化： 详细解析燃气中存在的硫化物、钒化物、碱金属盐等腐蚀性介质，以及高温氧化对涂层材料和基材的侵蚀机制。 热冲击与热循环： 描述燃气轮机启动、停机、工况变化等过程中产生的剧烈温度波动，及其对涂层内部应力分布、裂纹萌生与扩展的影响。 机械载荷： 分析高速气流引起的冲刷磨损、振动载荷、以及涡轮叶片旋转产生的离心力等机械应力对涂层强度的挑战。 相变与物化变化： 探讨高温下涂层材料（如陶瓷层和中间层）可能发生的相变、元素扩散、烧结等过程，及其对涂层宏观力学性能的影响。 本章的重点在于建立对热障涂层所处复杂服役环境的深刻认识，为后续强度理论和检测技术的讨论奠定基础。 第二章：热障涂层的力学行为与失效机制 本章将聚焦于热障涂层在复杂应力状态下的力学行为。我们将深入探讨： 热应力分析： 详细阐述由于涂层材料与基材之间热膨胀系数的差异，在温度变化过程中产生的热应力分布。我们将考察不同涂层结构（如柱状、块状）对热应力缓解效果的影响。 弹性与塑性行为： 分析陶瓷面层和金属中间层的弹性模量、泊松比等基本力学参数，以及在应力作用下可能发生的塑性变形。 断裂力学原理： 应用断裂力学理论，分析热障涂层中微裂纹的萌生、扩展和失稳断裂过程。重点将关注裂纹尖端的应力强度因子，以及其与临界断裂韧性的关系。 疲劳损伤： 深入研究热循环和机械载荷联合作用下的热疲劳和机械疲劳机制，包括应力幅、应力比、环境因素等对疲劳寿命的影响。 界面失效： 强调涂层与基材之间界面强度，以及界面氧化、结合不良等可能导致的剥离失效模式。 宏微观力学耦合： 探讨涂层内部微观结构（如孔隙、晶界）对宏观力学性能的影响，以及应力集中现象。 本章将严格依据力学原理，剖析热障涂层在服役过程中可能遇到的各种力学挑战及其失效途径。 第三章：热障涂层强度理论模型 基于前两章的力学行为分析，本章将系统介绍用于评估热障涂层强度的各类理论模型。我们将涵盖： 热应力解析模型： 介绍基于弹性力学理论，针对不同几何形状和载荷条件下的热应力计算方法，包括解析解和数值解。 断裂韧性评估模型： 讲解如何根据涂层的断裂韧性（如KIC值）及其几何参数，预测裂纹扩展的临界载荷或循环次数。 疲劳寿命预测模型： 介绍基于Miner累积损伤理论、Paris定律等经典的疲劳寿命预测模型，并讨论如何将其应用于复杂的热障涂层系统。 界面强度理论： 探讨用于评估涂层与基材界面结合强度的模型，包括基于粘聚力模型、能量原理等方法。 数值模拟方法： 重点介绍有限元分析（FEA）在热障涂层强度评估中的应用，包括模型建立、网格划分、边界条件施加以及不同加载工况下的应力、应变和裂纹扩展模拟。我们将详细说明如何通过数值模拟来精确预测涂层在复杂载荷下的力学响应。 损伤力学模型： 简要介绍一些损伤力学模型，用于描述涂层内部孔隙、微裂纹等损伤累积对宏观力学性能退化的过程。 本章力求提供一套系统、可操作的理论框架，以供研究和工程应用。 第四章：热障涂层无损检测技术 为了准确评估热障涂层的服役状态，及时发现潜在的损伤，无损检测（Non-Destructive Testing, NDT）技术至关重要。本章将详细介绍适用于热障涂层检测的各类先进技术： 超声检测（UT）： 阐述超声波在涂层中的传播特性、反射与透射原理，以及如何利用不同频率和模式的超声波来检测涂层内部的缺陷（如孔隙、裂纹、分层）和界面完整性。重点介绍相控阵超声、扫频超声等技术。 声发射检测（AE）： 解释声发射信号的产生机制，以及如何通过监测涂层在加载过程中释放的瞬态应力波来识别和定位材料的损伤事件，如微裂纹的萌生与扩展。 X射线成像技术（XRI）： 介绍X射线成像在检测涂层内部密度不均匀、夹杂物、孔洞等缺陷方面的应用。重点关注数字X射线成像、计算机断层扫描（CT）等技术在三维缺陷成像中的优势。 热成像技术（Infrared Thermography, IRT）： 阐述热成像原理，分析热传导与热辐射在涂层中的行为。介绍如何利用主动或被动热成像技术来检测涂层内部的热阻不均匀性、局部温度异常，从而推断涂层脱粘、破损等缺陷。 涡流检测（Eddy Current Testing, ECT）： 讲解涡流检测的基本原理，分析其在检测涂层表面及近表层裂纹、金属中间层缺陷方面的适用性。 扫描电子显微镜（SEM）与能量色散X射线光谱（EDS）辅助检测： 虽然SEM主要用于显微观察，但结合其与EDS对涂层表面形貌、裂纹特征以及元素分布的分析，可以为理解检测信号、评估损伤机理提供微观层面的有力支撑，是理解宏观检测结果的补充手段。 新型检测方法： 简要介绍一些新兴的检测技术，如激光超声、光学相干层析成像（OCT）等在涂层检测领域的潜力。 本章将详细阐述各种检测技术的原理、操作方法、应用范围、优缺点以及在实际应用中的数据解读。 第五章：热障涂层健康监测与寿命预测 本章将综合前述的强度理论和检测技术，探讨如何建立健全的热障涂层健康监测与寿命预测体系。 基于检测数据的损伤评估： 介绍如何将无损检测获取的缺陷信息（如缺陷尺寸、数量、位置）量化，并与强度理论模型相结合，进行损伤演化评估。 寿命预测模型集成： 探讨如何将基于材料性能退化、损伤累积和载荷谱分析的寿命预测模型，与实时或定期检测数据进行融合，实现更准确的寿命预测。 智能监测系统： 简要介绍未来可能发展的基于传感器网络、大数据分析和人工智能的智能健康监测系统，实现对热障涂层状态的连续、实时监控。 寿命管理策略： 讨论基于寿命预测结果，制定相应的维护、检修和更换策略，以最大化燃气轮机的可靠性与经济性。 结论 本书“热障涂层强度理论与检测技术”力图为读者提供一个深入、系统、完整的关于热障涂层在燃气轮机工作环境中力学行为及评估方法的知识体系。通过对热障涂层强度理论的深刻理解，结合先进的无损检测技术，将能够更有效地评估其服役状态，预测其剩余寿命，从而为提高燃气轮机的运行可靠性、延长设备服役周期、优化维护策略提供坚实的理论与技术支撑。本书适用于从事燃气轮机设计、制造、运行、维护以及相关材料科学、力学等领域的研究人员、工程师和研究生。

评分☆☆☆☆☆

这本书我早就关注了，因为我的研究方向和热障涂层息息相关。一直以来，关于热障涂层强度理论这块儿，总感觉缺乏一本系统、深入的专著。尤其是那些在高温高压环境下工作的燃气轮机，涂层失效直接关系到整个发动机的安全和寿命，所以理论的扎实程度就显得尤为重要。我希望这本书能从最基础的力学原理出发，详细讲解涂层在各种应力状态下的行为，比如热应力、机械应力、以及它们之间的耦合效应。同时，对于涂层的微观结构如何影响宏观强度，比如孔隙率、裂纹扩展机制、界面粘结强度等，我也期待有更深刻的阐释。如果能结合一些实际的失效案例进行分析，那就更好了，这样可以帮助我们更好地理解理论在实际应用中的指导意义。另外，书中关于检测技术的部分，我希望能够涵盖目前主流的无损检测方法，比如超声波、X射线衍射、热成像等，并且深入剖析这些技术的原理、优缺点以及适用范围。毕竟，准确、高效的检测是保证涂层质量和早期发现缺陷的关键。期待这本书能填补这方面的空白，成为我们这一行不可或缺的参考。

评分☆☆☆☆☆

作为一名在燃气轮机制造一线工作的工程师，我一直致力于提高产品的可靠性和性能。而热障涂层作为现代燃气轮机的关键技术之一，其性能的提升直接关系到燃机的工作温度上限和使用寿命。我非常关注热障涂层在实际制造和运行过程中遇到的各种问题，尤其是强度相关的挑战。这本书的题目吸引了我，因为“强度理论”和“检测技术”正是我们最需要解决的问题。我希望这本书能提供一些切实可行的解决方案，比如如何优化涂层的成分和制备工艺来提高其抗热震和抗机械冲击能力。同时，对于涂层的检测技术，我希望能够看到一些针对实际工况下的解决方案，比如在高温环境下如何进行有效的在线检测，或者如何通过检测数据来预测涂层的剩余寿命。如果书中能够提供一些针对不同类型燃气轮机（例如航空发动机和工业燃气轮机）的涂层设计和检测差异化的分析，那就更具有指导意义了。总而言之，我希望这本书能够帮助我们解决实际生产中的痛点，提升燃气轮机的整体竞争力。

评分☆☆☆☆☆

这本书的书名让我感到非常契合我的职业需求。我是一名从事特种合金研发的工程师，我们公司近年来在为高端燃气轮机提供关键部件的涂层材料方面投入了大量资源。在这个过程中，我们深切体会到理解热障涂层在复杂工况下的强度行为是多么重要，尤其是在承受极端温度变化和高强度气流冲击时。我希望这本书能够提供一套系统性的理论框架，用于分析不同涂层材料在高温下的蠕变、疲劳以及热冲击下的断裂机制。我也非常关注书中关于涂层界面稳定性的讨论，因为界面是涂层最容易失效的区域之一。此外，对于检测技术，我希望书中能够介绍一些能够早期发现涂层内部微损伤的技术，比如原子力显微镜在表征涂层微观形貌方面的应用，或者能够对涂层厚度和均匀性进行高精度测量的技术。如果书中还能提供一些关于涂层设计与性能预测的数学模型，以及如何在实验中验证这些模型的指导，那将对我们团队的研发工作带来巨大的帮助。

评分☆☆☆☆☆

我是一名博士研究生，目前正在进行关于新型热障涂层材料的研究。在查阅大量文献的过程中，我发现关于热障涂层强度理论的系统性论述相对较少，尤其是针对一些新型陶瓷材料和复合材料的热力学性能以及它们在极端环境下的行为。这本书的题目让我眼前一亮，因为它恰好是我目前研究的重点。我希望书中能够深入探讨不同涂层体系（如YSZ、La2Zr2O7等）的微观结构、相变以及它们对力学性能的影响。同时，对于涂层与基材之间的界面行为，比如热膨浴失配引起的应力集中以及界面反应层的形成，也希望有详细的分析。此外，关于先进的无损检测技术，我特别关注那些能够揭示涂层内部微裂纹、孔隙以及脱粘迹象的方法。如果书中能够提供一些量化的评估指标和评价标准，以及一些前沿的检测技术，例如基于机器学习的缺陷识别，那将对我非常有帮助。这本书的出现，有望为我今后的研究提供坚实的理论基础和技术指导。

评分☆☆☆☆☆

我对航空发动机的设计和制造一直抱有浓厚的兴趣，特别是那些能够显著提升发动机性能的关键技术。热障涂层无疑是其中最重要的组成部分之一，它直接影响着涡轮叶片等关键部件的工作温度和寿命。这本书的题目“先进燃气轮机设计制造基础专著系列：热障涂层强度理论与检测技术”非常精准地抓住了我关注的焦点。我希望这本书能够从最基础的物理原理出发，详细讲解热障涂层在高温、高压、腐蚀等复杂环境下所承受的各种载荷，以及这些载荷如何导致涂层产生应力、变形和最终失效。我期待看到书中能够深入分析不同涂层材料（如氧化锆基、钇铝石榴石等）的力学性能差异，以及它们的微观结构对强度的影响。另外，关于检测技术，我希望能够了解当前最先进的无损检测手段，比如高分辨率X射线成像、相控阵超声等，并了解它们在检测涂层裂纹、剥离、侵蚀等缺陷方面的能力和局限性。如果书中能提供一些案例研究，展示如何利用强度理论和检测技术来优化燃气轮机设计，那就更完美了。