高壓渦輪葉片是渦扇發動機中工作條件最惡劣的零部件，不僅承受轉子葉片自身的離心力、振動載荷，還承受極端的熱應力，極易發生損傷。
發動機的渦輪前溫度是衡量發動機性能的一項重要名額。在其他條件不變的情況下，發動機渦輪前溫度每提升100℃，發動機的最大推力就可以提升8%～10%。
圖1為渦輪葉片冷卻技術的發展狀況對渦輪前溫度的影響。除了冷卻技術，另一個影響渦輪前溫度的關鍵因素是渦輪葉片材料的耐高溫性能。
為了提高葉片的耐高溫性能，其材料一般選用單晶體的鎳合金，且在葉片基體上施加額外的熱障塗層（TBC）。
一、熱障塗層的構成
熱障塗層具有優異的隔熱、抗氧化、抗腐蝕性能，将其塗覆于葉片表面，能夠顯著提高發動機熱效率，降低能耗。
廣義的熱障塗層一般是由陶瓷頂層、熱生長氧化膜（ThermallyGrownOxide，簡稱TGO）和粘接層組成的多層結構體系。
現行的先進冷卻技術，目前可形成約300℃的溫度降幅，粘接層一般為MCrAlY（M為過渡金屬，含Ni、Co等元素）或Pt改性鋁化物塗層，主要用以緩沖陶瓷層與基體間較大的熱膨脹系數差異，起粘結過渡的作用，同時兼具系統的氧化腐蝕防護功效（見圖2）。
在高溫環境工作時，熱障層與葉片基體的界面會形成一層連續緻密的保護膜（TGO層），對基體提供保護。決定熱障塗層使用壽命的一個重要因素就是粘接層的氧化。
渦輪葉片經過長時間的使用後，熱障層的粘結強度通常會降低，熱障層與基體材料之間不可避免的熱應變會使其粘合強度超負荷，進而發生塗層剝落，不僅導緻基體過熱，剝落的塗層顆粒還會對氣流下遊的熱部件造成損壞。
二、熱障塗層的失效模式
渦輪葉片的熱障塗層失效較為常見，是導緻葉片發生損傷的一個重要因素。由于發動機内部環境複雜多變，塗層失效原因也很複雜（見圖3）。
幾種常見的失效模式如下
1、陶瓷層燒結
沉積後的陶瓷層，當工作溫度超過特定溫度時就會迅速發生燒結。燒結過程會引起陶瓷的體積和材料性質的變化。燒結使陶瓷層發生收縮，産生面内拉應變，引起垂直界面的裂紋，導緻熱障塗層剝落。
2、粘接層氧化
高溫環境下粘接層會氧化形成氧化層，導緻其在界面附近發生體積膨脹。由于受到周圍材料的限制，氧化層形成的同時就伴随着殘餘壓應力。
粘接層的氧化會惡化陶瓷層的粘結強度。即使隻有幾微米的厚度，粘接層與陶瓷層之間熱生長氧化物也會引起陶瓷層的局部剝落，并加速基體材料薄弱區域的熱疲勞。
3、邊緣效應
在渦輪葉片的邊角位置，由于材料性質不同，會産生應力奇異。熱障塗層的剝落常常起源于這些部位。
4、熱腐蝕影響
航空發動機使用的燃油中一般含有鈉、硫等雜質，是以熱障塗層經常遇到熱腐蝕問題，包括氧化、氮化和硫化等。
5、沖擊損傷
發動機氣流中的小顆粒物體會沖擊塗層表面并與之摩擦，引起塗層微觀結構的損傷和厚度的降低，進而使金屬基體溫度升高，加速粘接層的氧化。發動機點火電嘴的材料脫落是較常見的一類。
此外，高溫熱循環過程中熱障塗層各種材料的性質、熱梯度、制備過程及冷卻後塗層内産生的殘餘應力等都對其壽命産生影響。
三、葉片的氧化損傷
氧化是高溫腐蝕的一種典型損傷類型，是由于氧氣參與而導緻的一種腐蝕，嚴重的氧化也常稱為燒蝕。一般将氧化定義為最終導緻氧化物形成的各種破壞機理，可将其看作是各種損傷的上位概念，是一個比較寬泛的概念。
氧化可通過基體與大氣中氧氣的直接反應而發生，或通過反應鍊和擴散過程發生。如果這些反應生成的氧化物被應力侵蝕損壞，氧化就會繼續進行，直到其不可避免地削弱橫截面并導緻部件失效。
正常的抗氧化塗層變薄或遭受相當大的熱損傷，就會加速基體材料的侵蝕。如果葉片長時間處于高于設計溫度的條件下，可能會造成“沖刷”狀的短裂紋和“起皺”的表面材料丢失，通常稱為“橙皮效應”。
極端情況下，溫度處于液相線溫度範圍内或嚴重氧化時，葉片将部分分離，并且沒有明顯的可識别的斷面，分離面會變得粗糙。
如果溫度稍低，在固相線溫度範圍内，葉片的部分區域将發生折斷。這通常發生在葉片的尖端和特别薄的後邊緣區域。
渦輪葉片的變色是氧化損傷一個早期典型的特征，但由于其造成的後果并不嚴重，在發動機維護時通常會與氧化差別對待。
氧化損傷除具有變色的特征外，一般都會伴随着一些其他的形态損傷，如裂紋、表面起皺或材料丢失等，其後續可能造成更加嚴重的後果。圖4是某型發動機典型的葉片氧化損傷，與單純變色相比，其葉片表面的材料形态有不同程度的損毀。
參考文獻
[1]張妍，等.基于退化特征相似性的航空發動機壽命預測[J].系統工程與電子技術，2019，41（6）：1414-1421.
[2]薩拉瓦納穆圖，等著，黃維娜，等譯.瓦斯渦輪原理[M].航空工業出版社，2015.
[3]施健明.基于機器學習的産品剩餘壽命預測方法研究[D].中國科學院大學，2018-4.
