CN117072253B - 重型燃气轮机高温叶片热障涂层及设计、制造与评价方法 - Google Patents

重型燃气轮机高温叶片热障涂层及设计、制造与评价方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种重型燃气轮机高温叶片热障涂层及设计、制造与评价方法，热障涂层的陶瓷层中兼具表面纵向裂纹和梯度孔隙；表面纵向裂纹满足最优纵向裂纹密度范围，能起到缓解热障涂层热失配应变、增加涂层抗剥落性能的作用；梯度孔隙满足最优孔隙率范围，且梯度孔隙能起到隔热和抗烧结的作用。热障涂层的设计方法，包括最优裂纹密度范围和最优孔隙率范围的设计方法，以及根据最优裂纹密度范围和最优孔隙率范围逆向设计所需的喷涂参数的方法；热障涂层的制造方法，为在整个高温叶片上制备含表面纵向裂纹和梯度孔隙的热障涂层的工艺流程；热障涂层的评价方法为进行抗剥落性能测试的方法，以及确定其失效评判标准的方法。

Description

重型燃气轮机高温叶片热障涂层及设计、制造与评价方法
技术领域
本发明属于热障涂层技术领域，具体涉及一种重型燃气轮机高温叶片热障涂层及设计、制造与评价方法。
背景技术
重型燃气轮机是先进火电能源系统的主要动力装备，在清洁高效发电、远海孤岛/高海拔/沙漠等严酷环境供电、先进舰船动力等领域具有广泛且重要的应用。不断提高热效率是先进燃气轮机发展永恒的追求，透平前燃气温度是影响其热效率的关键因素之一，也是其技术水平的主要标志。目前，高温叶片三大隔热防护关键技术中，单晶/定向晶和气膜冷却技术的发展潜力已经非常有限；作为对比，应用热障涂层，不仅可以避免高温燃气与叶片基体直接接触，使其温度降低100℃～200℃，还能起到抗氧化、抗腐蚀、抗冲蚀的保护作用。因此，热障涂层是提高重型燃气轮机服役温度和热效率最切实可行的途径。
典型的热障涂层由隔热陶瓷层、起承载作用的镍基合金基底、起应力缓冲和阻氧作用的金属粘结层组成。与航空发动机涂层不同，重型燃气轮机热障涂层的单周期工作时间更长，是航机的30倍以上；隔热面积更大，是航机叶片的5倍以上；其制备方法也不同，主要采用大气等离子喷涂方法制备。此外，其陶瓷层和粘结层的界面也更加复杂，界面热生长氧化物的不规则特点和应力集中问题更突出。这种长时间连续的高温服役工况以及高度不规则的界面特征，使涂层在没有先兆的情况下可能产生开裂、过早剥落失效。涂层失效不仅会引起叶片基体局部超温、烧损，甚至还会造成机组整体报废。提升重型燃气轮机高温叶片热障涂层的应变容限和服役耐久性、延缓其过早剥落失效，已是该领域国际和国内、学术界和工程界长期共同关注的难题。
对此，如何在不改变经典的热障涂层结构，以及大气等离子喷涂方法（APS）的基础设备和基本工艺的前提下，设计满足重型燃气轮机长时间连续高温服役、缓解热障涂层热失配应变、增加涂层抗剥落性能、大面积隔热的合理的热障涂层结构，并实现其稳定制造和有效评价，是领域内亟待解决的瓶颈难题。其关键在于：首先，如何设计和确定最佳的热障涂层结构；其次，如何根据所需结构逆向设计和确定所需的制备工艺参数组合；最后，如何评判热障涂层的性能是否满足服役要求。因此，亟需一种重型燃气轮机高温叶片热障涂层及设计、制造与评价方法，为研制重型燃气轮机高温叶片服役要求的热障涂层提供理论依据和支撑。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种重型燃气轮机高温叶片热障涂层，其设计合理，热障涂层的陶瓷层中兼具表面纵向裂纹和梯度孔隙，能起到缓解热障涂层热失配应变、增加涂层抗剥落性能的作用，且梯度孔隙能起到隔热和抗烧结的作用，提高涂层服役寿命。
本发明实施例的第一方面，提供一种重型燃气轮机高温叶片热障涂层，其特征在于：包括基底、粘结层和陶瓷层，所述基底为镍基高温合金基体，所述粘结层为抗氧化粘结层，所述陶瓷层为氧化锆YSZ陶瓷涂层；
所述陶瓷层中兼具表面纵向裂纹和梯度孔隙，所述表面纵向裂纹满足最优纵向裂纹密度范围，所述表面纵向裂纹的方向沿陶瓷层和粘结层厚度方向；所述梯度孔隙满足最优孔隙率范围；
所述梯度孔隙为孔隙率沿着热障涂层厚度方向从陶瓷层和粘结层界面到陶瓷层表面逐渐增大。
本发明实施例的第二方面，提供一种重型燃气轮机高温叶片热障涂层的最优纵向裂纹密度范围的设计方法，其特征在于，该设计方法包括以下步骤：
步骤A1、设计镍基高温合金基体为In738、In718、In939或者Mar-M247高温合金，粘结层为CoNiCrAlY合金；设计陶瓷层为氧化锆YSZ；
步骤A2、设计陶瓷层的厚度为0.3mm～1.8mm；
步骤A3、陶瓷层的设计纵向裂纹密度取值为最小裂纹密度～最大裂纹密度；
步骤A4、对设计纵向裂纹密度的热障涂层试样进行等温热循环测试，再根据设计服役寿命确定最优纵向裂纹密度范围。
上述的一种重型燃气轮机高温叶片热障涂层的最优纵向裂纹密度范围的设计方法，其特征在于：步骤A3中最小裂纹密度和最大裂纹密度获取具体过程如下：
步骤A301、设定喷枪的喷涂距离为80mm～140mm，设定喷枪的喷涂功率为15kW～45kW，设定喷枪的喷涂速率为50mm/s～400mm/s，设定喷枪的粉末进给率在5g/min～30g/min；设定预热次数为1次～6次；
步骤A302、采用F4等离子喷枪在镍基高温合金基体的粘结层上制备热障涂层试样；其中，在制备热障涂层试样的过程中能测量到多个热障涂层试样上涂层的实时应力并记作多个喷涂应力，并将最大的喷涂应力记作峰值应力；
步骤A303、采用扫描电子显微镜对制备的热障涂层试样进行拍摄，直至热障涂层试样出现表面纵向裂纹时获取的峰值应力记作峰值应力下限值；
步骤A304、采用扫描电子显微镜对出现表面纵向裂纹时的热障涂层试样进行拍摄，获取此时热障涂层试样的裂纹密度并记作最小裂纹密度；
步骤A305、重复步骤A301至步骤A302，以使峰值应力逐渐增加，获取不同峰值应力下热障涂层试样的裂纹密度；
步骤A306、多次重复步骤A305，直至峰值应力达到最大值时，获取此时热障涂层试样的裂纹密度并记作最大裂纹密度。
上述的一种重型燃气轮机高温叶片热障涂层的最优纵向裂纹密度范围的设计方法，其特征在于：步骤A4中对设计纵向裂纹密度的热障涂层试样进行等温热循环测试，再根据设计服役寿命确定最优纵向裂纹密度范围，具体过程如下：
步骤A401、在热障涂层相同厚度的前提下，对任一个满足设计纵向裂纹密度的热障涂层试样进行等温热循环测试；
步骤A402、判断等温热循环测试后热障涂层试样的剥落面积是否到达临界剥落面积，如果未达到，则热障涂层试样未失效，对热障涂层试样进行下一次等温热循环测试，并将该热障涂层试样的服役寿命加1；如果达到，则热障涂层试样失效；其中，热障涂层试样的服役寿命的初始值为零；
步骤A403、多次重复步骤A402，得到该热障涂层试样的服役寿命；
步骤A404、按照步骤A401至步骤A403的方法，得到各个裂纹密度下的热障涂层试样的服役寿命；
步骤A405、采用计算机，以裂纹密度为横坐标，以等温热循环测试的服役寿命为纵坐标，得到该热障涂层厚度下裂纹密度服役寿命关系曲线；
步骤A406、通过裂纹密度服役寿命关系曲线，在纵坐标为设计服役寿命范围时，通过横坐标得到最优纵向裂纹密度范围。
本发明实施例的第三方面，提供一种重型燃气轮机高温叶片热障涂层的最优孔隙率范围的设计方法，其特征在于，该设计方法包括以下步骤：
步骤B1、设计镍基高温合金基体为In738、In718、In939或者Mar-M247高温合金，粘结层为CoNiCrAlY合金；设计陶瓷层为氧化锆YSZ；
步骤B2、设计陶瓷层的厚度为0.3mm～1.8mm；
步骤B3、设计孔隙率小于等于孔隙率要求值；其中，陶瓷层孔隙率沿着热障涂层厚度方向从陶瓷层和粘结层界面到陶瓷层表面逐渐增大；
步骤B4、根据陶瓷层孔隙率与其热导率的关系曲线，以及陶瓷层孔隙率与其杨氏模量的关系曲线，进一步确定最优孔隙率范围。
上述的一种重型燃气轮机高温叶片热障涂层的最优孔隙率范围的设计方法，其特征在于：步骤B3中孔隙率要求值的获取，具体过程如下：
步骤B301、采用计算机建立氧气在热障涂层中陶瓷层和粘结层界面处的扩散方程，如下式：（1）；其中，表示氧气在陶瓷层和粘结层界面处的综合扩散系数，/>表示综合扩散系数孔隙率修正值，/>表示氧气由于参与氧化反应而消耗的量，/>表示气体的扩散通量，/>为普适气体常数，/>为设计氧气温度，/>为陶瓷层和粘结层界面处氧气扩散路径上的氧气浓度，为陶瓷层和粘结层界面处氧气扩散路径上的氧气化学势，/>为氧气的初始化学势；表示时间，/>表示氧化反应速率，/>表示氧化反应进行的程度，/>表示氧在三氧化二铝中的摩尔体积，/>表示孔隙率；/>表示梯度算子；
步骤B302、采用计算机建立氧气在陶瓷层中的动态扩散方程，如下式：
（2）；
步骤B303、采用计算机利用COMSOL软件建立任一孔隙率下的热障涂层模型并进行网格划分；
步骤B304、采用计算机利用COMSOL软件的PDE模块对建立的热障涂层模型按照步骤B301中的方程（1）和步骤B302中的方程（2）建模；其中，设置环境中的氧气浓度设计值、氧气反应速率设计值、氧化时间设计值；
步骤B305、采用计算机利用COMSOL软件进行求解，得到热障涂层模型中陶瓷层和粘结层界面处氧气扩散路径上各处的氧气浓度值以及陶瓷层和粘结层界面处氧气扩散路径上各处的氧化反应进行的程度值；
步骤B306、采用计算机将陶瓷层和粘结层界面处氧气扩散路径上各处的氧气浓度值中最大氧气浓度值记作界面氧气浓度；通过陶瓷层和粘结层界面处氧气扩散路径上各处的氧化反应进行的程度值等于1的位置测量得到界面氧化物厚度；
步骤B307、多次重复步骤B301至步骤B306，得到不同孔隙率下的界面氧气浓度和界面氧化物厚度；
步骤B308、采用计算机将不同孔隙率下的界面氧气浓度和界面氧化物厚度的关系描绘出来，得到孔隙率与界面氧化物厚度的关系曲线，以及孔隙率与界面氧气浓度的关系曲线；
步骤B309、获取孔隙率与界面氧化物厚度的关系曲线中界面氧化物厚度变化量小于0.1%处对应的孔隙率，将其记作第一孔隙率要求值；获取孔隙率与界面氧气浓度的关系曲线中界面氧气浓度变化量小于0.1%处对应的孔隙率，将其记作第二孔隙率要求值；
步骤B3010、取第一孔隙率要求值和第二孔隙率要求值中较小的值，作为孔隙率要求值。
上述的一种重型燃气轮机高温叶片热障涂层的最优孔隙率范围的设计方法，其特征在于：步骤B4，具体过程如下：
步骤B401、采用计算机利用随机生长法，生成不同孔隙率、孔隙生长概率、孔隙分布概率下的孔隙模拟图像；
步骤B402、采用计算机将不同孔隙率、孔隙生长概率、孔隙分布概率下的孔隙模拟图像输入Abaqus有限元分析软件中，通过命令“material manage”设置材料属性为氧化锆、孔隙材料属性为空气，并输入空气的热导率、空气的杨氏模量、氧化锆的热导率和氧化锆的杨氏模量，形成不同孔隙结构的陶瓷层模型；
步骤B403、采用计算机利用Abaqus有限元分析软件，得到不同孔隙结构的陶瓷层模型的热流密度、应力和应变；
步骤B404、采用计算机利用傅里叶热传导方程，输入热流密度，得到不同孔隙结构的陶瓷层模型的热导率；采用计算机利用应力与应变之比，得到不同孔隙结构的陶瓷层模型的杨氏模量；
步骤B405、采用计算机将获取的各个不同孔隙结构的陶瓷层模型对应的孔隙率、热导率和杨氏模量进行分析，得到以孔隙率为横坐标、以热导率为纵坐标的陶瓷层孔隙率与其热导率的关系曲线；同时，得到以孔隙率为横坐标、以杨氏模量为纵坐标的陶瓷层孔隙率与其杨氏模量的关系曲线；
步骤B406、采用计算机根据热导率设计要求和孔隙率要求值，从陶瓷层孔隙率与其热导率的关系曲线中获取孔隙率第一取值范围；根据杨氏模量设计要求和孔隙率要求值，从陶瓷层孔隙率与其杨氏模量的关系曲线中获取孔隙率第二取值范围；
步骤B407、采用计算机将孔隙率第一取值范围和孔隙率第二取值范围相比较，将其重叠区域作为最优孔隙率范围。
本发明实施例的第四方面，提供一种重型燃气轮机高温叶片热障涂层的喷涂参数逆向设计方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤C1、建立CWGAN-GP喷涂参数逆向设计模型；
步骤C2、输入训练数据，对建立的CWGAN-GP喷涂参数逆向设计模型进行训练，得到训练好的CWGAN-GP喷涂参数逆向设计模型；其中，所述训练数据包括输入数据和输出数据；所述输入数据为多组喷涂参数，所述输出数据为多组参数喷涂对应的热障涂层电镜图；
步骤C3、根据训练好的CWGAN-GP喷涂参数逆向设计模型，获取兼具最优纵向裂纹密度范围和最优孔隙率范围的热障涂层电镜图对应的喷涂参数。
上述的一种重型燃气轮机高温叶片热障涂层的喷涂参数逆向设计方法，其特征在于：步骤C1中建立CWGAN-GP喷涂参数逆向设计模型，具体过程如下：
步骤C101、采用计算机，建立生成器网络模型；其中，所述生成器网络模型包括第一全连接层、第二全连接层、第一reshape层、第二reshape层、第一特征融合层、第一上采样层、三个第一卷积层、六个残差块、第二上采样层、第三上采样层、第四上采样层和第二卷积层；
步骤C102、采用计算机，建立鉴别器网络模型；其中，所述鉴别器网络模型包括第三全连接层、三个第三卷积层、第三reshape层、第二特征融合层、四个第四卷积层、一个残差块、第四全连接层和第五全连接层。
上述的一种重型燃气轮机高温叶片热障涂层的喷涂参数逆向设计方法，其特征在于：步骤C2中获取训练数据，具体过程如下：
步骤C201、采用大气等离子喷涂方法，通过调节不同喷涂参数制备不同裂纹和孔隙结构的热障涂层，所述热障涂层的陶瓷层中兼具表面纵向裂纹和梯度孔隙；其中，将第i＇组喷涂参数对应的热障涂层记作第i＇个热障涂层，i＇为正整数，i＇大于100小于等于I＇；其中，I＇为制备不同裂纹和孔隙结构的热障涂层的总数；
步骤C202、采用扫描电子显微镜对第i＇个热障涂层拍摄，得到M个第i＇个热障涂层的初始电镜图像；其中，M为正整数，M大于等于20；
步骤C203、采用计算机对任一个第i＇个热障涂层的初始电镜图像进行截取和缩放预处理，得到m个热障涂层图像；其中，m为正整数，m大于等于10；
步骤C204、多次重复步骤C203，直至完成M个第i＇个热障涂层的初始电镜图像的截取和缩放预处理，得到M×m个热障涂层图像；
步骤C205、多次重复步骤C202至步骤C204，得到I＇×M×m个热障涂层图像；
步骤C206、将I＇×M×m个热障涂层图像分为训练集和测试集；其中，训练集包括F个热障涂层图像和F个热障涂层图像对应的F组喷涂参数，测试集包括F＇个热障涂层图像和F＇个热障涂层图像对应的F＇组喷涂参数，训练集占80%，测试集占20%；喷涂参数作为输入层，热障涂层图像作为输出层。
本发明实施例的第五方面，提供一种重型燃气轮机高温叶片热障涂层的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤D1、对重型燃气轮机高温叶片进行表面粗糙度处理，以使其粗糙度Ra为6.0μm～8.0μm；
步骤D2、确定重型燃气轮机高温叶片表面不同喷涂区域的粘结层厚度与陶瓷层厚度；
步骤D3、采用单色激光对重型燃气轮机高温叶片表面进行非接触式扫描预热处理；
步骤D4、按照步骤D2确定的粘结层厚度，利用大气等离子喷涂方法，在预热处理后的重型燃气轮机高温叶片表面喷涂制备粘结层；
步骤D5、按照步骤D2确定的陶瓷层厚度，利用大气等离子喷涂方法，在重型燃气轮机高温叶片的粘结层表面喷涂制备陶瓷层；其中，陶瓷层兼具最优纵向裂纹密度范围和最优孔隙率范围；
步骤D6、对重型燃气轮机高温叶片上的设计陶瓷层区域进行激光重熔。
上述的一种重型燃气轮机高温叶片热障涂层的制备方法，其特征在于：步骤D6中的设计陶瓷层区域为重型燃气轮机高温叶片上最靠近来流燃气的前缘区域；
激光重熔的具体过程为：使用Nd:YAG脉冲激光器对设计陶瓷层区域进行激光重熔；其中，激光波长为1064nm，方形脉冲，激光的光斑直径为1mm，激光的脉冲频率为1Hz～7Hz，激光的平均功率为500W～700W，激光的脉冲宽度为2ms～7ms。
本发明实施例的第六方面，提供一种重型燃气轮机高温叶片热障涂层的抗剥落性能测试方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤E1、确定重型燃气轮机高温叶片热障涂层的服役工况；如果为热冲击工况，执行步骤E2；如果为长时高温氧化工况，执行步骤E3；如果为等温热循环工况，执行步骤E4；其中，根据重型燃气轮机高温叶片热障涂层获取热障涂层试样；
步骤E2、对热障涂层试样进行热冲击工况下的抗剥落性能测试，同时观察热障涂层试样的剥落面积是否达到临界剥落面积；如未达到，持续测试，直到涂层剥落面积达到临界剥落面积为止；记录此时热障涂层试样经历的热冲击次数，并将其记为重型燃气轮机高温叶片热障涂层在热冲击工况下的抗剥落寿命；
步骤E3、对热障涂层试样进行长时高温氧化工况下的抗剥落性能测试，同时观察热障涂层试样的剥落面积是否达到临界剥落面积；如未达到，持续测试，直到涂层剥落面积达到临界剥落面积为止；记录此时热障涂层试样经历的高温氧化时间，并将其记为重型燃气轮机高温叶片热障涂层在长时高温氧化工况下的抗剥落寿命；
步骤E4、对热障涂层试样进行等温热循环测试，同时观察热障涂层试样的剥落面积是否达到临界剥落面积；如未达到，持续测试，直到涂层剥落面积达到临界剥落面积为止；记录此时热障涂层试样经历的等温热循环次数，并将其记为重型燃气轮机高温叶片热障涂层在等温热循环工况下的抗剥落寿命。
上述的一种重型燃气轮机高温叶片热障涂层的抗剥落性能测试方法，其特征在于：步骤E2，具体过程如下：
步骤E201、使用定向加热方法，对热障涂层试样顶面进行热冲击测试，同时对热障涂层试样底面吹压缩空气冷却，使其沿厚度方向形成温度梯度；
步骤E202、观察热障涂层试样的剥落面积是否达到临界剥落面积；如果未达到，则热障涂层试样未失效，对热障涂层试样进行下一次热冲击测试，并将该热障涂层试样的抗剥落寿命加1；如果达到，则热障涂层试样失效；其中，热障涂层试样的抗剥落寿命的初始值为零；
步骤E203、多次重复步骤E202，直至涂层剥落面积达到临界剥落面积，停止测试；同时，记录此时热障涂层试样经历的热冲击次数，并将其记为重型燃气轮机高温叶片热障涂层在热冲击工况下的抗剥落寿命。
上述的一种重型燃气轮机高温叶片热障涂层的抗剥落性能测试方法，其特征在于：步骤E3，具体过程如下：
步骤E301、将热障涂层试样放入高温氧化炉，对其进行长时高温氧化测试；
步骤E302、每间隔100h，取出氧化后的热障涂层试样，观察其剥落面积是否达到临界剥落面积；如果未达到，则热障涂层试样未失效，将其放入氧化炉继续进行高温氧化；如果达到，则热障涂层试样失效；
步骤E303、多次重复步骤E302，直至涂层剥落面积达到临界剥落面积，停止测试；同时，记录此时热障涂层试样经历的高温氧化时间，并将其记为重型燃气轮机高温叶片热障涂层在长时高温氧化工况下的抗剥落寿命。
上述的一种重型燃气轮机高温叶片热障涂层的抗剥落性能测试方法，其特征在于：步骤E4，具体过程如下：
步骤E401、对热障涂层试样进行等温热循环测试；
步骤E402、观察热障涂层试样的剥落面积是否达到临界剥落面积；如果未达到，则热障涂层试样未失效，对热障涂层试样进行下一次等温热循环测试，并将该热障涂层试样的抗剥落寿命加1；如果达到，则热障涂层试样失效；其中，热障涂层试样的抗剥落寿命的初始值为零；
步骤E403、多次重复步骤E402，直至涂层剥落面积达到临界剥落面积，停止测试；同时，记录此时热障涂层试样经历的等温热循环次数，并将其记为重型燃气轮机高温叶片热障涂层在等温热循环工况下的抗剥落寿命。
本发明实施例的第七方面，提供一种重型燃气轮机高温叶片热障涂层的临界剥落面积的判定方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤F1、采用计算机，利用ANSYS有限元分析软件，建立重型燃气轮机高温叶片的热障涂层流固耦合传热模型，获取热障涂层流固耦合传热模型中，第个热障涂层模型中陶瓷层的剥落面积为/>和涂层厚度为/>时陶瓷层处的最高壁面温度为/>；
步骤F2、多次重复步骤F1，直至得到个热障涂层模型下，剥落面积为/>和涂层厚度为/>时陶瓷层处的最高壁面温度为/>；其中，/>和/>为正整数，且/>，/>大于4；
步骤F3、采用计算机，建立剥落面积、涂层厚度和最高壁面温度的函数模型；
步骤F4、采用计算机，令最高壁面温度取陶瓷层的设计烧结温度、涂层厚度取陶瓷层的设计厚度，输入步骤F3中建立的剥落面积、涂层厚度和最高壁面温度的函数模型，得到剥落面积，并将该剥落面积记作临界剥落面积。
上述的一种重型燃气轮机高温叶片热障涂层的临界剥落面积的判定方法，其特征在于：步骤F1中获取第个热障涂层模型中陶瓷层的剥落面积为/>和涂层厚度为/>时陶瓷层处的最高壁面温度为/>，具体过程如下：
步骤F101、采用计算机，利用ANSYS有限元分析软件，建立重型燃气轮机高温叶片的热障涂层流固耦合传热模型；其中，所述热障涂层流固耦合传热模型中陶瓷层表面设置为流固耦合面；
步骤F102、采用计算机，利用ANSYS有限元分析软件，对热障涂层流固耦合传热模型进行网格划分；其中，网格长宽比为0.5～10；
步骤F103、采用计算机，利用ANSYS有限元分析软件，设置来流燃气质量流量、流体入口的压力、流体出口的压力均为设计值；
步骤F104、采用计算机，利用ANSYS有限元分析软件设置第个热障涂层模型对应的剥落面积为/>，涂层厚度为/>；
步骤F105、采用计算机，利用ANSYS有限元分析软件在第个热障涂层模型下，对热障涂层流固耦合传热模型进行求解，得到剥落面积为/>和涂层厚度为/>下陶瓷层处的最高壁面温度为/>。
上述的一种重型燃气轮机高温叶片热障涂层的临界剥落面积的判定方法，其特征在于：步骤F3中采用计算机，建立剥落面积、涂层厚度和最高壁面温度的函数模型，具体过程如下：
步骤F301、采用计算机，建立努塞尔数方程（1），如下式：
；其中，/>表示热障涂层表面的换热系数，/>表示来流燃气的直径，表示来流燃气的导热系数；/>表示努塞尔数；
步骤F302、采用计算机，建立努塞尔数方程（2），如下式：
；其中，/>表示待拟合第一参数，/>表示待拟合第二参数，/>表示待拟合第三参数，/>表示剥落面积，/>表示涂层厚度；
步骤F303、采用计算机，建立换热系数与温度方程（3），如下式：
；其中，/>表示来流燃气入口温度，/>表示来流燃气出口温度，且/>，/>表示出入口温度拟合系数，/>表示来流燃气质量流量，/>表示来流燃气的定压比热容，/>表示圆周率，/>表示热障涂层模型的直径；/>表示陶瓷层处的最高壁面温度；
步骤F304、采用计算机，联立步骤F301至步骤F303中的方程（1）至方程（3），得到方程（4），如下式：；
步骤F305、采用计算机，利用组剥落面积、涂层厚度和最高壁面温度对方程（4）进行回归分析，拟合得到待拟合第一参数/>、待拟合第二参数/>、待拟合第三参数/>和出入口温度拟合系数/>；
步骤F306、采用计算机，将待拟合第一参数、待拟合第二参数/>、待拟合第三参数/>和出入口温度拟合系数/>代入方程（4），得到剥落面积、涂层厚度和最高壁面温度的函数模型。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1.本发明得到的重型燃气轮机高温叶片热障涂层兼具最优纵向裂纹密度范围和最优孔隙率范围结构，可以兼顾强隔热、抗烧结、高应变容限和增加涂层抗剥落性能的功能。其中，所述的最优纵向裂纹密度范围，能使热障涂层具有较高的应变容限（抗热失配能力）和抗剥落寿命；所述的最优孔隙率范围，其孔隙率沿着热障涂层厚度方向从陶瓷层和粘结层界面到陶瓷层表面逐渐增大即孔隙率呈正梯度变化，能使涂层在服役初期的杨氏模量与热导率较传统均显著降低，同时，涂层界面还能长期维持压应力状态，进而使其保持较好的隔热稳定性和抗烧结能力。
2.本发明所提供的最优裂纹密度范围设计方法和最优孔隙率范围设计方法，解决了如何设计和确定满足重型燃气轮机高温叶片热障涂层服役要求的最佳涂层结构的问题，为热障涂层结构寻优提供了有效途径。
3.本发明根据所需要的最优裂纹密度范围和孔隙率范围来逆向确定所需喷涂参数组合的方法，解决了传统大批量试错式喷涂以寻找满足要求的喷涂参数组合的方法中存在的效率低、成本高、可靠性差的问题。
4.本发明所提供的兼具表面纵向裂纹和梯度孔隙的陶瓷层在各个服役工况下的临界剥落面积判定方法，解决了传统的凭经验给定热障涂层失效标准的方法中存在的随意性大、不确定性大、无理论支撑的问题，为确定热障涂层的失效判定标准提供了理论依据。
综上所述，本发明设计合理，热障涂层的陶瓷层中兼具表面纵向裂纹和梯度孔隙；表面纵向裂纹满足最优纵向裂纹密度范围，能起到缓解热障涂层热失配应变、增加涂层抗剥落性能的作用；梯度孔隙满足最优孔隙率范围，且梯度孔隙能起到隔热和抗烧结的作用，提高涂层服役寿命。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为兼具表面纵向裂纹和梯度孔隙的重型燃气轮机高温叶片热障涂层的扫描电镜图像。
图2为图1中A处孔隙结构的放大图。
图3为图1中B处表面纵向裂纹结构的放大图。
图4为本发明生成器网络模型的结构示意图。
图5为本发明鉴别器网络模型的结构示意图。
图6为本发明热障涂层流固耦合传热模型的结构示意图。
图7为本发明满足设计纵向裂纹密度的热障涂层试样的裂纹密度和服役寿命的关系示意图。
具体实施方式
实施例1
如图1、图2和图3所示，一种重型燃气轮机高温叶片热障涂层，包括基底、粘结层和陶瓷层，所述基底为镍基高温合金基体，所述粘结层为抗氧化粘结层，所述陶瓷层为氧化锆YSZ陶瓷涂层；
所述陶瓷层中兼具表面纵向裂纹和梯度孔隙，所述表面纵向裂纹满足最优纵向裂纹密度范围，所述表面纵向裂纹的方向沿陶瓷层和粘结层厚度方向；所述梯度孔隙满足最优孔隙率范围；
所述梯度孔隙为孔隙率沿着热障涂层厚度方向从陶瓷层和粘结层界面到陶瓷层表面逐渐增大。
本实施例中，陶瓷层中具有表面纵向裂纹，起到缓解热障涂层热失配应变、增加涂层应变容限的作用，陶瓷层中梯度孔隙起到隔热和抗烧结的作用。
本实施例中，镍基高温合金基体的厚度为1.0mm～3.0mm，粘结层的厚度为0.1mm～0.25mm。陶瓷层的厚度为0.3mm～1.8mm。
本实施例中，镍基高温合金基体为In738、In718、In939或者Mar-M247高温合金，粘结层为CoNiCrAlY合金；陶瓷层为氧化锆YSZ。
本实施例中，如图1所示，图上曲线C的纵坐标是厚度，横坐标是温度，即从热障涂层最表面即与高温燃气接触的表面起，沿着厚度越往热障涂层内部，则温度越低，反映了涂层的隔热能力。
实施例2
一种重型燃气轮机高温叶片热障涂层的最优纵向裂纹密度范围的设计方法，该设计方法包括以下步骤：
步骤A1、设计镍基高温合金基体为In738、In718、In939或者Mar-M247高温合金，粘结层为CoNiCrAlY合金；设计陶瓷层为氧化锆YSZ；
步骤A2、设计陶瓷层的厚度为0.3mm～1.8mm；
步骤A3、陶瓷层的设计纵向裂纹密度取值为最小裂纹密度～最大裂纹密度；
步骤A4、对设计纵向裂纹密度的热障涂层试样进行等温热循环测试，再根据设计服役寿命确定最优纵向裂纹密度范围。
本实施例中，步骤A3中最小裂纹密度和最大裂纹密度获取具体过程如下：
步骤A301、设定喷枪的喷涂距离为80mm～140mm，设定喷枪的喷涂功率为15kW～45kW，设定喷枪的喷涂速率为50mm/s～400mm/s，设定喷枪的粉末进给率在5g/min～30g/min；设定预热次数为1次～6次；
步骤A302、采用F4等离子喷枪在镍基高温合金基体的粘结层上制备热障涂层试样；其中，在制备热障涂层试样的过程中能测量到多个热障涂层试样上涂层的实时应力并记作多个喷涂应力，并将最大的喷涂应力记作峰值应力；
步骤A303、采用扫描电子显微镜对制备的热障涂层试样进行拍摄，直至热障涂层试样出现表面纵向裂纹时获取的峰值应力记作峰值应力下限值；
步骤A304、采用扫描电子显微镜对出现表面纵向裂纹时的热障涂层试样进行拍摄，获取此时热障涂层试样的裂纹密度并记作最小裂纹密度；
步骤A305、重复步骤A301至步骤A302，以使峰值应力逐渐增加，获取不同峰值应力下热障涂层试样的裂纹密度；
步骤A306、多次重复步骤A305，直至峰值应力达到最大值时，获取此时热障涂层试样的裂纹密度并记作最大裂纹密度。
本实施例中，步骤A4中对设计纵向裂纹密度的热障涂层试样进行等温热循环测试，再根据设计服役寿命确定最优纵向裂纹密度范围，具体过程如下：
步骤A401、在热障涂层相同厚度的前提下，对任一个满足设计纵向裂纹密度的热障涂层试样进行等温热循环测试；
步骤A402、判断等温热循环测试后热障涂层试样的剥落面积是否到达临界剥落面积，如果未达到，则热障涂层试样未失效，对热障涂层试样进行下一次等温热循环测试，并将该热障涂层试样的服役寿命加1；如果达到，则热障涂层试样失效；其中，热障涂层试样的服役寿命的初始值为零；
步骤A403、多次重复步骤A402，得到该热障涂层试样的服役寿命；
步骤A404、按照步骤A401至步骤A403的方法，得到各个裂纹密度下的热障涂层试样的服役寿命；
步骤A405、采用计算机，以裂纹密度为横坐标，以等温热循环测试的服役寿命为纵坐标，得到该热障涂层厚度下裂纹密度服役寿命关系曲线；
步骤A406、通过裂纹密度服役寿命关系曲线，在纵坐标为设计服役寿命范围时，通过横坐标得到最优纵向裂纹密度范围。
本实施例中，镍基高温合金基体的厚度为1.0mm～3.0mm，粘结层的厚度为0.1mm～0.25mm。
本实施例中，F4等离子喷枪为METCO的F4等离子喷枪。
本实施例中，步骤A302之前基体预热处理：移动F4等离子喷枪在具有粘结层的镍基高温合金基体上进行扫描预热，以经1次～6次扫描预热循化，使得镍基高温合金基体的粘结层顶面温度达300℃～1000℃；并在扫描预热循化结束后的3s～10s内，采用F4等离子喷枪利用APS喷涂制备。
本实施例中，在制备热障涂层试样的过程中能测量到多个热障涂层试样上涂层的实时应力，采用的装置参见专利CN202210832072.7《一种高温防热结构力热参数测量装置与方法》公开的高温防热结构力热参数测量装置中“通过在所述喷涂设备的喷嘴上安装第一激光测距仪来测量基体试件上涂层的实时厚度，通过在基体试件的下方设置多个第二激光测距仪来测量基体试件实时曲率，进而能够得到基体试件的涂层的实时应力”实现。
本实施例中，具体使用时，步骤A306中最大值为1200MPa。
本实施例中，具体使用时，峰值应力下限值为500MPa，最小裂纹密度为1.0/mm，对应喷枪的喷涂距离为140mm，喷枪的喷涂功率为15kW，喷枪的喷涂速率为400mm/s，设定喷枪的粉末进给率在30g/min；设定预热次数为1次；
1200MPa峰值应力下最大裂纹密度为3.0/mm，对应喷枪的喷涂距离为80mm，设定喷枪的喷涂功率为45kW，设定喷枪的喷涂速率为50mm/s，设定喷枪的粉末进给率在5g/min；设定预热次数为6次。
本实施例中，具体使用时，步骤A401中等温热循环测试具体为：在室温下按照升温速率8℃～10℃/min加热至保温温度，保温10小时～12小时，再按照降温速率8℃～10℃/min降温直至室温；其中，室温为20℃～25℃，保温温度为1000℃～1200℃。
本实施例中，具体使用时，经过等温热循环测试验证，该具有纵向裂纹结构的热障涂层在隔热性能没有显著降低的条件下服役寿命显著增加。
如图7中，本实施例中，满足设计纵向裂纹密度的热障涂层试样的裂纹密度和服役寿命的关系示意图，可以得到与传统结构陶瓷层（无表面裂纹结构）30个等温热循环的服役寿命相比，具有表面纵向裂纹结构的陶瓷层的服役寿命在90个等温热循环的服役寿命左右，是传统结构的3倍左右，因此表面裂纹结构陶瓷层的服役寿命更高。
本实施例中，具体使用时，通过调控APS喷涂制备过程中的峰值喷涂应力，实现热障涂层的裂纹密度调节。
实施例3
一种重型燃气轮机高温叶片热障涂层的最优孔隙率范围的设计方法，该设计方法包括以下步骤：
步骤B1、设计镍基高温合金基体为In738、In718、In939或者Mar-M247高温合金，粘结层为CoNiCrAlY合金；设计陶瓷层为氧化锆YSZ；
步骤B2、设计陶瓷层的厚度为0.3mm～1.8mm；
步骤B3、设计孔隙率小于等于孔隙率要求值；其中，陶瓷层孔隙率沿着热障涂层厚度方向从陶瓷层和粘结层界面到陶瓷层表面逐渐增大；
步骤B4、根据陶瓷层孔隙率与其热导率的关系曲线，以及陶瓷层孔隙率与其杨氏模量的关系曲线，进一步确定最优孔隙率范围。
本实施例中，步骤B3中孔隙率要求值的获取，具体过程如下：
步骤B301、采用计算机建立氧气在热障涂层中陶瓷层和粘结层界面处的扩散方程，如下式：（1）；其中，表示氧气在陶瓷层和粘结层界面处的综合扩散系数，/>表示综合扩散系数孔隙率修正值，/>表示氧气由于参与氧化反应而消耗的量，/>表示气体的扩散通量，/>为普适气体常数，/>为设计氧气温度，/>为陶瓷层和粘结层界面处氧气扩散路径上的氧气浓度，为陶瓷层和粘结层界面处氧气扩散路径上的氧气化学势，/>为氧气的初始化学势；表示时间，/>表示氧化反应速率，/>表示氧化反应进行的程度，/>表示氧在三氧化二铝中的摩尔体积，/>表示孔隙率；/>表示梯度算子；
步骤B302、采用计算机建立氧气在陶瓷层中的动态扩散方程，如下式：
（2）；
步骤B303、采用计算机利用COMSOL软件建立任一孔隙率下的热障涂层模型并进行网格划分；
步骤B304、采用计算机利用COMSOL软件的PDE模块对建立的热障涂层模型按照步骤B301中的方程（1）和步骤B302中的方程（2）建模；其中，设置环境中的氧气浓度设计值、氧气反应速率设计值、氧化时间设计值；
步骤B305、采用计算机利用COMSOL软件进行求解，得到热障涂层模型中陶瓷层和粘结层界面处氧气扩散路径上各处的氧气浓度值以及陶瓷层和粘结层界面处氧气扩散路径上各处的氧化反应进行的程度值；
步骤B306、采用计算机将陶瓷层和粘结层界面处氧气扩散路径上各处的氧气浓度值中最大氧气浓度值记作界面氧气浓度；通过陶瓷层和粘结层界面处氧气扩散路径上各处的氧化反应进行的程度值等于1的位置测量得到界面氧化物厚度；
步骤B307、多次重复步骤B301至步骤B306，得到不同孔隙率下的界面氧气浓度和界面氧化物厚度；
步骤B308、采用计算机将不同孔隙率下的界面氧气浓度和界面氧化物厚度的关系描绘出来，得到孔隙率与界面氧化物厚度的关系曲线，以及孔隙率与界面氧气浓度的关系曲线；
步骤B309、获取孔隙率与界面氧化物厚度的关系曲线中界面氧化物厚度变化量小于0.1%处对应的孔隙率，将其记作第一孔隙率要求值；获取孔隙率与界面氧气浓度的关系曲线中界面氧气浓度变化量小于0.1%处对应的孔隙率，将其记作第二孔隙率要求值；
步骤B3010、取第一孔隙率要求值和第二孔隙率要求值中较小的值，作为孔隙率要求值。
本实施例中，步骤B4，具体过程如下：
步骤B401、采用计算机利用随机生长法，生成不同孔隙率、孔隙生长概率、孔隙分布概率下的孔隙模拟图像；
步骤B402、采用计算机将不同孔隙率、孔隙生长概率、孔隙分布概率下的孔隙模拟图像输入Abaqus有限元分析软件中，通过命令“material manage”设置材料属性为氧化锆、孔隙材料属性为空气，并输入空气的热导率、空气的杨氏模量、氧化锆的热导率和氧化锆的杨氏模量，形成不同孔隙结构的陶瓷层模型；
步骤B403、采用计算机利用Abaqus有限元分析软件，得到不同孔隙结构的陶瓷层模型的热流密度、应力和应变；
步骤B404、采用计算机利用傅里叶热传导方程，输入热流密度，得到不同孔隙结构的陶瓷层模型的热导率；采用计算机利用应力与应变之比，得到不同孔隙结构的陶瓷层模型的杨氏模量；
步骤B405、采用计算机将获取的各个不同孔隙结构的陶瓷层模型对应的孔隙率、热导率和杨氏模量进行分析，得到以孔隙率为横坐标、以热导率为纵坐标的陶瓷层孔隙率与其热导率的关系曲线；同时，得到以孔隙率为横坐标、以杨氏模量为纵坐标的陶瓷层孔隙率与其杨氏模量的关系曲线；
步骤B406、采用计算机根据热导率设计要求和孔隙率要求值，从陶瓷层孔隙率与其热导率的关系曲线中获取孔隙率第一取值范围；根据杨氏模量设计要求和孔隙率要求值，从陶瓷层孔隙率与其杨氏模量的关系曲线中获取孔隙率第二取值范围；
步骤B407、采用计算机将孔隙率第一取值范围和孔隙率第二取值范围相比较，将其重叠区域作为最优孔隙率范围。
本实施例中，表示氧气在陶瓷层和粘结层界面处的综合扩散系数，该系数由分子扩散系数和克努森扩散系数共同决定，即为克努森扩散系数的导数与分子扩散系数的导数之和的导数。
本实施例中，普适气体常数为8.31441焦耳/摩尔·开。设计氧气温度/>为1100℃，环境中的氧气浓度设计值为2.5摩尔/立方米，氧气反应速率设计值为1e-4 m3/mol·s，氧化时间设计值为500小时。还可根据设计要求调节。
本实施例中，氧化反应进行的程度，可以用0～1的数值来表示，1表示粘结层完全氧化，0表示粘结层没有参与氧化，0～1之间代表氧化反应正在进行。
本实施例中，步骤B403中采用计算机利用Abaqus有限元分析软件，得到不同孔隙结构的陶瓷层模型的热流密度、应力和应变，具体过程如下：
步骤B40301、采用计算机利用Abaqus有限元分析软件中网格模块对不同孔隙结构的陶瓷层模型进行网格划分，并对孔隙边界处的网格进行加密，网格类型为四节点线性传热四边形单元；
步骤B40302、采用计算机利用Abaqus有限元分析软件在不同孔隙结构的陶瓷层模型的两侧边界施加绝热边界条件，不同孔隙结构的陶瓷层模型的上边界施加恒定高温的温度边界，不同孔隙结构的陶瓷层模型的下边界施加恒定零低温的温度边界；其中，恒定高温为大于1000℃；
步骤B40303、采用计算机利用Abaqus有限元分析软件仿真计算，得到不同孔隙结构的陶瓷层模型的热流密度；
或者：
步骤B403-1、采用计算机利用Abaqus有限元分析软件中网格模块对不同孔隙结构的陶瓷层模型进行网格划分，并对孔隙边界处的网格进行加密，网格类型为四节点双线性平面应变四边形单元；
步骤B403-2、采用计算机利用Abaqus有限元分析软件在不同孔隙结构的陶瓷层模型的右侧施加小变形的边界条件，同时固定不同孔隙结构的陶瓷层模型的左侧；其中，小变形是指沿模型水平宽度方向不大于1%的变形量；
步骤B403-3、采用计算机利用Abaqus有限元分析软件仿真计算，得到小变形所对应的力，并将该力除以不同孔隙结构的陶瓷层模型垂直于热流方向的横截面积，得到应力；并将该小变形除以不同孔隙结构的陶瓷层模型的宽度得到应变。
实施例4
如图4和图5所示，一种重型燃气轮机高温叶片热障涂层的喷涂参数逆向设计方法，该方法包括以下步骤：
步骤C1、建立CWGAN-GP喷涂参数逆向设计模型；
步骤C2、输入训练数据，对建立的CWGAN-GP喷涂参数逆向设计模型进行训练，得到训练好的CWGAN-GP喷涂参数逆向设计模型；其中，所述训练数据包括输入数据和输出数据；所述输入数据为多组喷涂参数，所述输出数据为多组参数喷涂对应的热障涂层电镜图；
步骤C3、根据训练好的CWGAN-GP喷涂参数逆向设计模型，获取兼具最优纵向裂纹密度范围和最优孔隙率范围的热障涂层电镜图对应的喷涂参数。
本实施例中，步骤C1中建立CWGAN-GP喷涂参数逆向设计模型，具体过程如下：
步骤C101、采用计算机，建立生成器网络模型；其中，所述生成器网络模型包括第一全连接层、第二全连接层、第一reshape层、第二reshape层、第一特征融合层、第一上采样层、三个第一卷积层、六个残差块、第二上采样层、第三上采样层、第四上采样层和第二卷积层；
步骤C102、采用计算机，建立鉴别器网络模型；其中，所述鉴别器网络模型包括第三全连接层、三个第三卷积层、第三reshape层、第二特征融合层、四个第四卷积层、一个残差块、第四全连接层和第五全连接层。
本实施例中，步骤C2中获取训练数据，具体过程如下：
步骤C201、采用大气等离子喷涂方法，通过调节不同喷涂参数制备不同裂纹和孔隙结构的热障涂层，所述热障涂层的陶瓷层中兼具表面纵向裂纹和梯度孔隙；其中，将第i＇组喷涂参数对应的热障涂层记作第i＇个热障涂层，i＇为正整数，i＇大于100小于等于I＇；其中，I＇为制备不同裂纹和孔隙结构的热障涂层的总数；
步骤C202、采用扫描电子显微镜对第i＇个热障涂层拍摄，得到M个第i＇个热障涂层的初始电镜图像；其中，M为正整数，M大于等于20；
步骤C203、采用计算机对任一个第i＇个热障涂层的初始电镜图像进行截取和缩放预处理，得到m个热障涂层图像；其中，m为正整数，m大于等于10；
步骤C204、多次重复步骤C203，直至完成M个第i＇个热障涂层的初始电镜图像的截取和缩放预处理，得到M×m个热障涂层图像；
步骤C205、多次重复步骤C202至步骤C204，得到I＇×M×m个热障涂层图像；
步骤C206、将I＇×M×m个热障涂层图像分为训练集和测试集；其中，训练集包括F个热障涂层图像和F个热障涂层图像对应的F组喷涂参数，测试集包括F＇个热障涂层图像和F＇个热障涂层图像对应的F＇组喷涂参数，训练集占80%，测试集占20%；喷涂参数作为输入层，热障涂层图像作为输出层。
本实施例中，每组喷涂参数的个数为n＇，n＇为正整数。
本实施例中，n＇取值为5，且5个喷涂参数分别为喷涂距离，喷涂功率，粉末进给率，预热次数，喷涂速率。
如图4所示，本实施例中，第一全连接层中神经元数为1024，第二全连接层中神经元数为6400，第一reshape层输出80×8×8，第二reshape层输出100×8×8，第一特征融合层是将第一reshape层输出和第二reshape层输出拼接融合为180×8×8；第一上采样层输出90×32×32（即通道数×长×宽）；三个第一卷积层即卷积层1、卷积层2和卷积层3均输出256×32×32；六个残差块输出256×32×32，第二上采样层输出256×128×128；第三上采样层输出256×256×256，第四上采样层输出128×512×512，第二卷积层即卷积层4输出1×512×512。
本实施例中，第一上采样层使得通道数变为原来的1/2倍，图像的大小变为原来的4倍。第二上采样层使得通道数不变，图像的大小变为原来的4倍。第三上采样层使得通道数不变，图像的大小变为原来的2倍。第四上采样层使得通道数变为原来的1/2倍，图像的大小变为原来的2倍。
卷积层1、卷积层2和卷积层3中卷积核的数量为256，卷积核的大小为3×3，滑动步长为1，padding为same；
卷积层4中卷积核的数量为1，卷积核的大小为11×11，滑动步长为1，padding为same。
如图5所示，本实施例中，第三全连接层中神经元个数为81920个，第四全连接层中神经元个数为512个，第五全连接层中神经元个数为1个，三个第三卷积层分别为卷积层Ⅰ、卷积层Ⅱ和卷积层Ⅲ，卷积层Ⅰ中卷积核的数量为64，卷积核的大小为4×4，滑动步长为2，padding为same；卷积层Ⅱ中卷积核的数量为128，卷积核的大小为4×4，滑动步长为2，padding为same；卷积层Ⅲ中卷积核的数量为256，卷积核的大小为4×4，滑动步长为2，padding为same；
四个第四卷积层分别为卷积层Ⅳ、卷积层Ⅴ、卷积层Ⅵ和卷积层Ⅶ，卷积层Ⅳ中卷积核的数量为512，卷积核的大小为3×3，滑动步长为2，padding为same；卷积层Ⅴ中卷积核的数量为256，卷积核的大小为3×3，滑动步长为1，padding为same；卷积层Ⅵ中卷积核的数量为128，卷积核的大小为3×3，滑动步长为1，padding为same；卷积层Ⅶ中卷积核的数量为64，卷积核的大小为3×3，滑动步长为1，padding为same；
本实施例中，第三reshape层输出100×64×64，卷积层Ⅰ输出均为64×256×256，卷积层Ⅱ输出均为128×128×128，卷积层Ⅲ输出均为256×64×64，第二特征融合层是将第三reshape层输出和卷积层Ⅲ输出拼接融合为356×64×64；经过卷积层Ⅳ、卷积层Ⅴ、卷积层Ⅵ和卷积层Ⅶ输出64×32×32；一个残差块输出64×32×32，第四全连接层中输出512×1，第五全连接层中输出1×1。
本实施例中，CWGAN-GP为基于条件Wasserstein生成对抗网络。
本实施例中，由于热障涂层微观结构随机性较大且复杂，图像中包含信息较多，因此需要更深层的神经网络来提取其中的特征，而随着深度的增加，神经网络有可能会出现梯度消失或梯度爆炸的问题，从而导致网络性能退化，而加入残差块可以有效提高神经网络的性能，防止梯度消失或梯度爆炸，从而提升训练效率和稳定性，最终提升涂层结构预测的准确性。
本实施例中，步骤C2中输入训练数据，对建立的CWGAN-GP喷涂参数逆向设计模型进行训练，得到训练好的CWGAN-GP喷涂参数逆向设计模型，具体过程如下：
步骤C201、采用计算机将100维的随机数一阶张量和任一组n＇维喷涂参数一阶张量输入CWGAN-GP喷涂参数逆向设计模型的生成器网络模型中输出一个生成图像；其中，100维的随机数一阶张量对应第二全连接层输入，任一组n＇维喷涂参数一阶张量对应第一全连接层输入；
步骤C202、采用计算机将步骤C201中该生成图像和该n＇维喷涂参数一阶张量输入鉴别器网络模型，生成一个生成图像的概率；
同时，采用计算机将步骤C201中该n＇维喷涂参数一阶张量对应的热障涂层图像作为真实图像，并将该真实图像和该n＇维喷涂参数一阶张量也输入鉴别器网络模型，生成一个真实图像的概率；
步骤C203、采用计算机根据，得到鉴别器网络模型的损失函数/>；其中，/>表示真实图像/>和生成图像/>随机插值得到的插值图像，且/>，/>表示插值图像中任一个像素点的像素值，/>表示插值系数，且/>服从[0，1]均匀分布，/>表示真实图像/>中任一个像素点的像素值，/>表示生成图像/>中对应像素点的像素值；/>表示梯度惩罚项的权重系数，表示2范数；/>表示计算梯度；/>表示鉴别器网络模型生成的图像的概率；/>表示期望；/>表示喷涂参数；/>为生成器网络模型生成的样本分布，/>为真实样本分布，为在/>和/>两分布的样本中随机插值采样得到的样本分布；
采用计算机根据，得到生成器网络模型的损失函数/>；
步骤C204、计算机采用Adam优化算法，利用鉴别器网络模型的损失函数对鉴别器网络模型进行迭代优化，生成器网络模型的损失函数/>对生成器网络模型进行迭代优化，直至训练集全部训练，完成一次迭代训练；
步骤C205、重复步骤C204，迭代训练直至满足迭代训练预设次数，得到训练好的生成器网络模型，并将训练好的生成器网络模型记作训练好的CWGAN-GP喷涂参数逆向设计模型。
本实施例中，迭代训练预设次数为600，取10，生成器网络模型的学习率取，鉴别器网络模型的学习率取/>。
本实施例中，实际使用时，在得到训练好的CWGAN-GP喷涂参数逆向设计模型后，将测试集中F＇个热障涂层图像和F＇个热障涂层图像对应的F＇组喷涂参数输入训练好的CWGAN-GP喷涂参数逆向设计模型中进行测试，获取各个热障涂层图像对应的测试生成图像，然后获取各个热障涂层图像和各个测试生成图像之间像素的均方误差，且均方误差满足设计要求，则说明训练好的CWGAN-GP喷涂参数逆向设计模型满足要求。
本实施例中，实际使用时，采用计算机对任一个第i＇个热障涂层的初始电镜图像进行截取和缩放预处理，具体是：采用计算机对任一个第i＇个热障涂层的初始电镜图像进行截取，获取m个大小为1024×1024的图像；
然后将任一个1024×1024的图像缩放为512×512大小的图像为热障涂层图像。
本实施例中，实际使用时，M个第i＇个热障涂层的初始电镜图像的大小为2560×1370，将其截取为1024×1024的图像，并将1024×1024的图像缩放为512×512大小的图像为热障涂层图像。
本实施例中，实际使用时，兼具最优纵向裂纹密度范围和最优孔隙率范围的热障涂层电镜图的具体方法参考步骤C201至步骤C204获取的热障涂层图像。
本实施例中，实际使用时，兼具最优纵向裂纹密度范围和最优孔隙率范围的多个热障涂层电镜图对应的多个喷涂参数可进行均值处理或者中位数处理，减少喷涂参数误差。
本实施例中，实际使用时，利用深度学习和图像生成技术，在无需知道或假设物理规律的前提下，提取喷涂参数和涂层孔隙、裂纹结构之间的映射关系和规律，实现对物理规律的预测，从而实现从喷涂参数到涂层微结构图像端到端的预测，减少了对相关专业知识的依赖。
实施例5
一种重型燃气轮机高温叶片热障涂层的制备方法，该方法包括以下步骤：
步骤D1、对重型燃气轮机高温叶片进行表面粗糙度处理，以使其粗糙度Ra为6.0μm～8.0μm；
步骤D2、确定重型燃气轮机高温叶片表面不同喷涂区域的粘结层厚度与陶瓷层厚度；
步骤D3、采用单色激光对重型燃气轮机高温叶片表面进行非接触式扫描预热处理；
步骤D4、按照步骤D2确定的粘结层厚度，利用大气等离子喷涂方法，在预热处理后的重型燃气轮机高温叶片表面喷涂制备粘结层；
步骤D5、按照步骤D2确定的陶瓷层厚度，利用大气等离子喷涂方法，在重型燃气轮机高温叶片的粘结层表面喷涂制备陶瓷层；其中，陶瓷层兼具最优纵向裂纹密度范围和最优孔隙率范围；
步骤D6、对重型燃气轮机高温叶片上的设计陶瓷层区域进行激光重熔。
本实施例中，步骤D6中的设计陶瓷层区域为重型燃气轮机高温叶片上最靠近来流燃气的前缘区域；
激光重熔的具体过程为：使用Nd:YAG脉冲激光器对设计陶瓷层区域进行激光重熔；其中，激光波长为1064nm，方形脉冲，激光的光斑直径为1mm，激光的脉冲频率为1Hz～7Hz，激光的平均功率为500W～700W，激光的脉冲宽度为2ms～7ms。
本实施例中，步骤D2中确定重型燃气轮机高温叶片表面不同喷涂区域的粘结层厚度与陶瓷层厚度的方法参考专利CN201610854678.5公开的一种涡轮叶片热障涂层厚度优化设计方法；其中，粘结涂层厚度100μm～250μm，以及陶瓷涂层厚度从燃气轮机叶片TBCs厚度分布的优化设计方案中获得。
本实施例中，采用单色激光对重型燃气轮机叶片表面进行非接触式扫描一遍。
本实施例中，步骤D4和步骤D5中，大气等离子喷涂方法所采用的离子喷枪参考专利CN202211344770.9公开的原位雾化金属或陶瓷粉末的高能等离子喷枪装置及方法中的高能等离子喷枪装置通过设置Y型通道结构，提高高能等离子体射流的喷射温度和压力，促进难熔金属或高熔点陶瓷粉末充分熔化形成液滴，获得细小均匀雾化粉末，获得高质量涂层。通过该高能等离子喷枪装置进行高温叶片的金属粘结涂层与陶瓷层大面积喷涂制备。
本实施例中，步骤D5中在重型燃气轮机高温叶片的粘结层表面喷涂制备陶瓷层时，需要利用通过建立CWGAN-GP喷涂参数逆向设计模型获取兼具最优纵向裂纹密度范围和最优孔隙率范围的喷涂参数。
本实施例中，重型燃气轮机高温叶片热障涂层服役环境恶劣，在长期热暴露过程中需要多种极端工况，极易发生烧结、氧化、磨损和热疲劳剥落等失效。其中，热疲劳是造成等离子喷涂热障涂层破坏的重要因素之一。在服役过程中热障涂层反复经历加热和冷却的周期性循环，导致残余应力逐渐增大，涂层内的微缺陷和微裂纹萌生、扩展并逐渐贯通形成宏观水平裂纹，最终引起涂层的剥落失效。热疲劳剥落失效是等离子喷涂热障涂层在服役过程中遭遇的最普遍的失效形式之一。改善和提高等离子喷涂热障涂层的结合强度和抗热疲劳性能，对于延长其服役寿命具有重要意义。选择性激光重熔通过单色激光透过表面陶瓷层到达陶瓷层与粘结层界面并对其界面区域进行重熔处理，使得界面区域致密化，形成分布式强韧化单元，消除了等离子喷涂热障涂层内部固有的孔隙和微裂纹等缺陷，提高了局部韧性，进而增强涂层的结合强度。可以提高热障涂层的韧性和抗热震性能，其热循环寿命可达传统热障涂层的2倍。
本实施例中，根据确定的参数，进行选择性激光微区重熔。在叶片前缘区域等间距进行激光微区重熔，重熔微区均匀排布。单色激光透过表面陶瓷层到达陶瓷层与粘结层界面，使得界面区域进行重熔，进而增强涂层结合强度。激光微区重熔后经过去应力退火处理。选择性激光重熔处理的涂层界面结合强度得到提高，抗剥落寿命相比于喷涂态涂层的寿命得到大幅度提升。
实施例6
一种重型燃气轮机高温叶片热障涂层的抗剥落性能测试方法，该方法包括以下步骤：
步骤E1、确定重型燃气轮机高温叶片热障涂层的服役工况；如果为热冲击工况，执行步骤E2；如果为长时高温氧化工况，执行步骤E3；如果为等温热循环工况，执行步骤E4；其中，根据重型燃气轮机高温叶片热障涂层获取热障涂层试样；
步骤E2、对热障涂层试样进行热冲击工况下的抗剥落性能测试，同时观察热障涂层试样的剥落面积是否达到临界剥落面积；如未达到，持续测试，直到涂层剥落面积达到临界剥落面积为止；记录此时热障涂层试样经历的热冲击次数，并将其记为重型燃气轮机高温叶片热障涂层在热冲击工况下的抗剥落寿命；
步骤E3、对热障涂层试样进行长时高温氧化工况下的抗剥落性能测试，同时观察热障涂层试样的剥落面积是否达到临界剥落面积；如未达到，持续测试，直到涂层剥落面积达到临界剥落面积为止；记录此时热障涂层试样经历的高温氧化时间，并将其记为重型燃气轮机高温叶片热障涂层在长时高温氧化工况下的抗剥落寿命；
步骤E4、对热障涂层试样进行等温热循环测试，同时观察热障涂层试样的剥落面积是否达到临界剥落面积；如未达到，持续测试，直到涂层剥落面积达到临界剥落面积为止；记录此时热障涂层试样经历的等温热循环次数，并将其记为重型燃气轮机高温叶片热障涂层在等温热循环工况下的抗剥落寿命。
本实施例中，步骤E2，具体过程如下：
步骤E201、使用定向加热方法，对热障涂层试样顶面进行热冲击测试，同时对热障涂层试样底面吹压缩空气冷却，使其沿厚度方向形成温度梯度；
步骤E202、观察热障涂层试样的剥落面积是否达到临界剥落面积；如果未达到，则热障涂层试样未失效，对热障涂层试样进行下一次热冲击测试，并将该热障涂层试样的抗剥落寿命加1；如果达到，则热障涂层试样失效；其中，热障涂层试样的抗剥落寿命的初始值为零；
步骤E203、多次重复步骤E202，直至涂层剥落面积达到临界剥落面积，停止测试；同时，记录此时热障涂层试样经历的热冲击次数，并将其记为重型燃气轮机高温叶片热障涂层在热冲击工况下的抗剥落寿命。
本实施例中，步骤E3，具体过程如下：
步骤E301、将热障涂层试样放入高温氧化炉，对其进行长时高温氧化测试；
步骤E302、每间隔100h，取出氧化后的热障涂层试样，观察其剥落面积是否达到临界剥落面积；如果未达到，则热障涂层试样未失效，将其放入氧化炉继续进行高温氧化；如果达到，则热障涂层试样失效；
步骤E303、多次重复步骤E302，直至涂层剥落面积达到临界剥落面积，停止测试；同时，记录此时热障涂层试样经历的高温氧化时间，并将其记为重型燃气轮机高温叶片热障涂层在长时高温氧化工况下的抗剥落寿命。
本实施例中，步骤E4，具体过程如下：
步骤E401、对热障涂层试样进行等温热循环测试；
步骤E402、观察热障涂层试样的剥落面积是否达到临界剥落面积；如果未达到，则热障涂层试样未失效，对热障涂层试样进行下一次等温热循环测试，并将该热障涂层试样的抗剥落寿命加1；如果达到，则热障涂层试样失效；其中，热障涂层试样的抗剥落寿命的初始值为零；
步骤E403、多次重复步骤E402，直至涂层剥落面积达到临界剥落面积，停止测试；同时，记录此时热障涂层试样经历的等温热循环次数，并将其记为重型燃气轮机高温叶片热障涂层在等温热循环工况下的抗剥落寿命。
本实施例中，定向加热方法为采用石英灯加热，还可以采用激光加热、燃气加热，还可以采用激光加热、燃气加热，例如二氧化碳激光器，氧乙炔或氧丙烷燃气加热器。石英灯加热可参考专利CN202210862150.8公开的一种带有红外辐射加热调节的结构热考核装置及方法中的加热。
本实施例中，步骤E201中热冲击测试为先升温，保温，再降温至室温的热冲击试验。升温和降温的时间均为1min～3min，保温时间为5min～6min，保温时热障涂层试样顶面温度满足表面设计服役温度，且表面设计服役温度为1000℃～1200℃，热障涂层试样底面温度满足底部设计服役温度，底部设计服役温度为800℃～1000℃，且底面温度小于顶面温度；
本实施例中，需要说明的是，实际升温和降温过程中，还可对热障涂层试样顶面温度和底面温度进行实时检测，以使不同时刻施加的梯度温度环境满足真实服役工况。
本实施例中，热障涂层是一个多层材料体系，各层热膨胀系数也存在差异，在梯度温度环境下，会产生热失配应力，这是热障涂层剥落失效的主要诱因。因此，构建热障涂层服役过程中的梯度温度环境，模拟热障涂层的真实服役工况并进一步分析其使用寿命，已成为保证热障涂层系统的安全使用的关键问题。
本实施例中，步骤E301中长时高温氧化测试的温度为1000℃～1200℃；
本实施例中，实际使用时，步骤E302中每间隔100h可以根据要求进行增减。
本实施例中，具体使用时，步骤E401中等温热循环测试具体为：在室温下按照升温速率8℃～10℃/min加热至保温温度，保温10小时～12小时，再按照降温速率8℃～10℃/min降温直至室温；其中，室温为20℃～25℃，保温温度为1000℃～1200℃。
实施例7
如图6所示，一种重型燃气轮机高温叶片热障涂层的临界剥落面积的判定方法，该方法包括以下步骤：
步骤F1、采用计算机，利用ANSYS有限元分析软件，建立重型燃气轮机高温叶片的热障涂层流固耦合传热模型，获取热障涂层流固耦合传热模型中，第个热障涂层模型中陶瓷层的剥落面积为/>和涂层厚度为/>时陶瓷层处的最高壁面温度为/>；
步骤F2、多次重复步骤F1，直至得到个热障涂层模型下，剥落面积为/>和涂层厚度为/>时陶瓷层处的最高壁面温度为/>；其中，/>和/>为正整数，且/>，/>大于4；
步骤F3、采用计算机，建立剥落面积、涂层厚度和最高壁面温度的函数模型；
步骤F4、采用计算机，令最高壁面温度取陶瓷层的设计烧结温度、涂层厚度取陶瓷层的设计厚度，输入步骤F3中建立的剥落面积、涂层厚度和最高壁面温度的函数模型，得到剥落面积，并将该剥落面积记作临界剥落面积。
本实施例中，步骤F1中获取第个热障涂层模型中陶瓷层的剥落面积为/>和涂层厚度为/>时陶瓷层处的最高壁面温度为/>，具体过程如下：
步骤F101、采用计算机，利用ANSYS有限元分析软件，建立重型燃气轮机高温叶片的热障涂层流固耦合传热模型；其中，所述热障涂层流固耦合传热模型中陶瓷层表面设置为流固耦合面；
步骤F102、采用计算机，利用ANSYS有限元分析软件，对热障涂层流固耦合传热模型进行网格划分；其中，网格长宽比为0.5～10；
步骤F103、采用计算机，利用ANSYS有限元分析软件，设置来流燃气质量流量、流体入口的压力、流体出口的压力均为设计值；
步骤F104、采用计算机，利用ANSYS有限元分析软件设置第个热障涂层模型对应的剥落面积为/>，涂层厚度为/>；
步骤F105、采用计算机，利用ANSYS有限元分析软件在第个热障涂层模型下，对热障涂层流固耦合传热模型进行求解，得到剥落面积为/>和涂层厚度为/>下陶瓷层处的最高壁面温度为/>。
本实施例中，步骤F3中采用计算机，建立剥落面积、涂层厚度和最高壁面温度的函数模型，具体过程如下：
步骤F301、采用计算机，建立努塞尔数方程（1），如下式：
；其中，/>表示热障涂层表面的换热系数，/>表示来流燃气的直径，表示来流燃气的导热系数；/>表示努塞尔数；
步骤F302、采用计算机，建立努塞尔数方程（2），如下式：
；其中，/>表示待拟合第一参数，/>表示待拟合第二参数，/>表示待拟合第三参数，/>表示剥落面积，/>表示涂层厚度；
步骤F303、采用计算机，建立换热系数与温度方程（3），如下式：
；其中，/>表示来流燃气入口温度，/>表示来流燃气出口温度，且/>，/>表示出入口温度拟合系数，/>表示来流燃气质量流量，/>表示来流燃气的定压比热容，/>表示圆周率，/>表示热障涂层模型的直径；表示陶瓷层处的最高壁面温度；
步骤F304、采用计算机，联立步骤F301至步骤F303中的方程（1）至方程（3），得到方程（4），如下式：；
步骤F305、采用计算机，利用组剥落面积、涂层厚度和最高壁面温度对方程（4）进行回归分析，拟合得到待拟合第一参数/>、待拟合第二参数/>、待拟合第三参数/>和出入口温度拟合系数/>；
步骤F306、采用计算机，将待拟合第一参数、待拟合第二参数/>、待拟合第三参数/>和出入口温度拟合系数/>代入方程（4），得到剥落面积、涂层厚度和最高壁面温度的函数模型。
本实施例中，所述热障涂层流固耦合传热模型基于对流换热理论模型建立，所述热障涂层流固耦合传热模型包括流体入口通道模型、与流体入口通道模型呈垂直布设的流体出口通道模型和位于流体出口通道模型下方的热障涂层模型，且所述热障涂层模型位于流体入口通道模型正下方，所述流体出口通道模型设置有两个对称的流体出口。
本实施例中，来流燃气质量流量设计值为7.66kg/s、流体入口的压力设计值为1.9MPa、流体出口的压力设计值为1.9MPa。
本实施例中，步骤F305中拟合时剥落面积、涂层厚度和最高壁面温度的函数模型中来流燃气质量流量、热障涂层模型的直径/>和来流燃气入口温度均为设计要求值。步骤303中热障涂层模型也为设计要求试样圆柱体模型。
本实施例中，随着热障涂层剥落面积的不断增加，剥落涂层边缘温度会不断升高。当热障涂层温度达到烧结温度时，涂层的性能会快速退化并加速剥落，此时的剥落面积为热障涂层可安全服役的临界剥落面积。
本实施例中，实际使用时，随着涂层厚度和来流燃气温度的升高，临界剥落面积迅速下降，在实际应用中可根据临界剥落面积判断热障涂层能否继续安全服役，并及时对热障涂层进行修复。
综上所述，本发明设计合理，热障涂层的陶瓷层中兼具表面纵向裂纹和梯度孔隙；表面纵向裂纹满足最优纵向裂纹密度范围，能起到缓解热障涂层热失配应变、增加涂层抗剥落性能的作用；梯度孔隙满足最优孔隙率范围，且梯度孔隙能起到隔热和抗烧结的作用，提高涂层服役寿命。
对于本领域的技术人员而言，本申请不限于上述示范性实施例的细节，而且在不违背本申请的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本申请。因此无论从哪一点来看，均应将实施例看成是示范性的，而且是非限制性的。本申请的范围由所附的权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将权利要求的等同的含义和范围内的所有变化含括在本申请内。

Claims (13)

1.一种重型燃气轮机高温叶片热障涂层的制备方法，其特征在于：该重型燃气轮机高温叶片热障涂层包括基底、粘结层和陶瓷层，所述基底为镍基高温合金基体，所述粘结层为抗氧化粘结层，所述陶瓷层为氧化锆YSZ陶瓷涂层；
所述陶瓷层中兼具表面纵向裂纹和梯度孔隙，所述表面纵向裂纹满足最优纵向裂纹密度范围，所述表面纵向裂纹的方向沿陶瓷层和粘结层厚度方向；所述梯度孔隙满足最优孔隙率范围；
所述梯度孔隙为孔隙率沿着热障涂层厚度方向从陶瓷层和粘结层界面到陶瓷层表面逐渐增大；
所述最优孔隙率范围的设计方法包括以下步骤：
步骤B1、设计镍基高温合金基体为In738、In718、In939或者Mar-M247高温合金，粘结层为CoNiCrAlY合金；设计陶瓷层为氧化锆YSZ；
步骤B2、设计陶瓷层的厚度为0.3mm～1.8mm；
步骤B3、设计孔隙率小于等于孔隙率要求值；其中，陶瓷层孔隙率沿着热障涂层厚度方向从陶瓷层和粘结层界面到陶瓷层表面逐渐增大；
步骤B4、根据陶瓷层孔隙率与其热导率的关系曲线，以及陶瓷层孔隙率与其杨氏模量的关系曲线，进一步确定最优孔隙率范围；
步骤B3中孔隙率要求值的获取，具体过程如下：
步骤B301、采用计算机建立氧气在热障涂层中陶瓷层和粘结层界面处的扩散方程，如下式：（1）；其中，/>表示氧气在陶瓷层和粘结层界面处的综合扩散系数，/>表示综合扩散系数孔隙率修正值，表示氧气由于参与氧化反应而消耗的量，/>表示气体的扩散通量，/>为普适气体常数，/>为设计氧气温度，/>为陶瓷层和粘结层界面处氧气扩散路径上的氧气浓度，/>为陶瓷层和粘结层界面处氧气扩散路径上的氧气化学势，/>为氧气的初始化学势；/>表示时间，/>表示氧化反应速率，/>表示氧化反应进行的程度，/>表示氧在三氧化二铝中的摩尔体积，/>表示孔隙率；/>表示梯度算子；
步骤B302、采用计算机建立氧气在陶瓷层中的动态扩散方程，如下式：
（2）；
步骤B303、采用计算机利用COMSOL软件建立任一孔隙率下的热障涂层模型并进行网格划分；
步骤B304、采用计算机利用COMSOL软件的PDE模块对建立的热障涂层模型按照步骤B301中的方程（1）和步骤B302中的方程（2）建模；其中，设置环境中的氧气浓度设计值、氧气反应速率设计值、氧化时间设计值；
步骤B305、采用计算机利用COMSOL软件进行求解，得到热障涂层模型中陶瓷层和粘结层界面处氧气扩散路径上各处的氧气浓度值以及陶瓷层和粘结层界面处氧气扩散路径上各处的氧化反应进行的程度值；
步骤B306、采用计算机将陶瓷层和粘结层界面处氧气扩散路径上各处的氧气浓度值中最大氧气浓度值记作界面氧气浓度；通过陶瓷层和粘结层界面处氧气扩散路径上各处的氧化反应进行的程度值等于1的位置测量得到界面氧化物厚度；
步骤B307、多次重复步骤B301至步骤B306，得到不同孔隙率下的界面氧气浓度和界面氧化物厚度；
步骤B308、采用计算机将不同孔隙率下的界面氧气浓度和界面氧化物厚度的关系描绘出来，得到孔隙率与界面氧化物厚度的关系曲线，以及孔隙率与界面氧气浓度的关系曲线；
步骤B309、获取孔隙率与界面氧化物厚度的关系曲线中界面氧化物厚度变化量小于0.1%处对应的孔隙率，将其记作第一孔隙率要求值；获取孔隙率与界面氧气浓度的关系曲线中界面氧气浓度变化量小于0.1%处对应的孔隙率，将其记作第二孔隙率要求值；
步骤B3010、取第一孔隙率要求值和第二孔隙率要求值中较小的值，作为孔隙率要求值；
步骤B4，具体过程如下：
步骤B401、采用计算机利用随机生长法，生成不同孔隙率、孔隙生长概率、孔隙分布概率下的孔隙模拟图像；
步骤B402、采用计算机将不同孔隙率、孔隙生长概率、孔隙分布概率下的孔隙模拟图像输入Abaqus有限元分析软件中，通过命令“material manage”设置材料属性为氧化锆、孔隙材料属性为空气，并输入空气的热导率、空气的杨氏模量、氧化锆的热导率和氧化锆的杨氏模量，形成不同孔隙结构的陶瓷层模型；
步骤B403、采用计算机利用Abaqus有限元分析软件，得到不同孔隙结构的陶瓷层模型的热流密度、应力和应变；
步骤B404、采用计算机利用傅里叶热传导方程，输入热流密度，得到不同孔隙结构的陶瓷层模型的热导率；采用计算机利用应力与应变之比，得到不同孔隙结构的陶瓷层模型的杨氏模量；
步骤B405、采用计算机将获取的各个不同孔隙结构的陶瓷层模型对应的孔隙率、热导率和杨氏模量进行分析，得到以孔隙率为横坐标、以热导率为纵坐标的陶瓷层孔隙率与其热导率的关系曲线；同时，得到以孔隙率为横坐标、以杨氏模量为纵坐标的陶瓷层孔隙率与其杨氏模量的关系曲线；
步骤B406、采用计算机根据热导率设计要求和孔隙率要求值，从陶瓷层孔隙率与其热导率的关系曲线中获取孔隙率第一取值范围；根据杨氏模量设计要求和孔隙率要求值，从陶瓷层孔隙率与其杨氏模量的关系曲线中获取孔隙率第二取值范围；
步骤B407、采用计算机将孔隙率第一取值范围和孔隙率第二取值范围相比较，将其重叠区域作为最优孔隙率范围；
所述最优纵向裂纹密度范围和最优孔隙率范围的喷涂参数逆向设计方法包括以下步骤：
步骤C1、建立CWGAN-GP喷涂参数逆向设计模型；
步骤C2、输入训练数据，对建立的CWGAN-GP喷涂参数逆向设计模型进行训练，得到训练好的CWGAN-GP喷涂参数逆向设计模型；其中，训练数据包括输入数据和输出数据；输入数据为多组喷涂参数，输出数据为多组参数喷涂对应的热障涂层电镜图；
步骤C3、根据训练好的CWGAN-GP喷涂参数逆向设计模型，获取兼具最优纵向裂纹密度范围和最优孔隙率范围的热障涂层电镜图对应的喷涂参数；
步骤C1中建立CWGAN-GP喷涂参数逆向设计模型，具体过程如下：
步骤C101、采用计算机，建立生成器网络模型；其中，所述生成器网络模型包括第一全连接层、第二全连接层、第一reshape层、第二reshape层、第一特征融合层、第一上采样层、三个第一卷积层、六个残差块、第二上采样层、第三上采样层、第四上采样层和第二卷积层；
步骤C102、采用计算机，建立鉴别器网络模型；其中，所述鉴别器网络模型包括第三全连接层、三个第三卷积层、第三reshape层、第二特征融合层、四个第四卷积层、一个残差块、第四全连接层和第五全连接层；
步骤C2中获取训练数据，具体过程如下：
步骤C201、采用大气等离子喷涂方法，通过调节不同喷涂参数制备不同裂纹和孔隙结构的热障涂层，所述热障涂层的陶瓷层中兼具表面纵向裂纹和梯度孔隙；其中，将第i＇组喷涂参数对应的热障涂层记作第i＇个热障涂层，i＇为正整数，i＇大于100小于等于I＇；其中，I＇为制备不同裂纹和孔隙结构的热障涂层的总数；
步骤C202、采用扫描电子显微镜对第i＇个热障涂层拍摄，得到M个第i＇个热障涂层的初始电镜图像；其中，M为正整数，M大于等于20；
步骤C203、采用计算机对任一个第i＇个热障涂层的初始电镜图像进行截取和缩放预处理，得到m个热障涂层图像；其中，m为正整数，m大于等于10；
步骤C204、多次重复步骤C203，直至完成M个第i＇个热障涂层的初始电镜图像的截取和缩放预处理，得到M×m个热障涂层图像；
步骤C205、多次重复步骤C202至步骤C204，得到I＇×M×m个热障涂层图像；
步骤C206、将I＇×M×m个热障涂层图像分为训练集和测试集；其中，训练集包括F个热障涂层图像和F个热障涂层图像对应的F组喷涂参数，测试集包括F＇个热障涂层图像和F＇个热障涂层图像对应的F＇组喷涂参数，训练集占80%，测试集占20%；喷涂参数作为输入层，热障涂层图像作为输出层。
2.按照权利要求1所述的一种重型燃气轮机高温叶片热障涂层的制备方法，其特征在于：所述最优纵向裂纹密度范围的设计方法包括以下步骤：
步骤A1、设计镍基高温合金基体为In738、In718、In939或者Mar-M247高温合金，粘结层为CoNiCrAlY合金；设计陶瓷层为氧化锆YSZ；
步骤A2、设计陶瓷层的厚度为0.3mm～1.8mm；
步骤A3、陶瓷层的设计纵向裂纹密度取值为最小裂纹密度～最大裂纹密度；
步骤A4、对设计纵向裂纹密度的热障涂层试样进行等温热循环测试，再根据设计服役寿命确定最优纵向裂纹密度范围。
3.按照权利要求2所述的一种重型燃气轮机高温叶片热障涂层的制备方法，其特征在于：步骤A3中最小裂纹密度和最大裂纹密度获取具体过程如下：
步骤A301、设定喷枪的喷涂距离为80mm～140mm，设定喷枪的喷涂功率为15kW～45kW，设定喷枪的喷涂速率为50mm/s～400mm/s，设定喷枪的粉末进给率在5g/min～30g/min；设定预热次数为1次～6次；
步骤A302、采用F4等离子喷枪在镍基高温合金基体的粘结层上制备热障涂层试样；其中，在制备热障涂层试样的过程中能测量到多个热障涂层试样上涂层的实时应力并记作多个喷涂应力，并将最大的喷涂应力记作峰值应力；
步骤A303、采用扫描电子显微镜对制备的热障涂层试样进行拍摄，直至热障涂层试样出现表面纵向裂纹时获取的峰值应力记作峰值应力下限值；
步骤A304、采用扫描电子显微镜对出现表面纵向裂纹时的热障涂层试样进行拍摄，获取此时热障涂层试样的裂纹密度并记作最小裂纹密度；
步骤A305、重复步骤A301至步骤A302，以使峰值应力逐渐增加，获取不同峰值应力下热障涂层试样的裂纹密度；
步骤A306、多次重复步骤A305，直至峰值应力达到最大值时，获取此时热障涂层试样的裂纹密度并记作最大裂纹密度。
4.按照权利要求2所述的一种重型燃气轮机高温叶片热障涂层的制备方法，其特征在于：步骤A4中对设计纵向裂纹密度的热障涂层试样进行等温热循环测试，再根据设计服役寿命确定最优纵向裂纹密度范围，具体过程如下：
步骤A401、在热障涂层相同厚度的前提下，对任一个满足设计纵向裂纹密度的热障涂层试样进行等温热循环测试；
步骤A402、判断等温热循环测试后热障涂层试样的剥落面积是否到达临界剥落面积，如果未达到，则热障涂层试样未失效，对热障涂层试样进行下一次等温热循环测试，并将该热障涂层试样的服役寿命加1；如果达到，则热障涂层试样失效；其中，热障涂层试样的服役寿命的初始值为零；
步骤A403、多次重复步骤A402，得到该热障涂层试样的服役寿命；
步骤A404、按照步骤A401至步骤A403的方法，得到各个裂纹密度下的热障涂层试样的服役寿命；
步骤A405、采用计算机，以裂纹密度为横坐标，以等温热循环测试的服役寿命为纵坐标，得到该热障涂层厚度下裂纹密度服役寿命关系曲线；
步骤A406、通过裂纹密度服役寿命关系曲线，在纵坐标为设计服役寿命范围时，通过横坐标得到最优纵向裂纹密度范围。
5.按照权利要求1所述的一种重型燃气轮机高温叶片热障涂层的制备方法，其特征在于：在整个重型燃气轮机高温叶片上制备所述的兼具表面纵向裂纹和梯度孔隙的陶瓷层的方法包括以下步骤：
步骤D1、对重型燃气轮机高温叶片进行表面粗糙度处理，以使其粗糙度Ra为6.0μm～8.0μm；
步骤D2、确定重型燃气轮机高温叶片表面不同喷涂区域的粘结层厚度与陶瓷层厚度；
步骤D3、采用单色激光对重型燃气轮机高温叶片表面进行非接触式扫描预热处理；
步骤D4、按照步骤D2确定的粘结层厚度，利用大气等离子喷涂方法，在预热处理后的重型燃气轮机高温叶片表面喷涂制备粘结层；
步骤D5、按照步骤D2确定的陶瓷层厚度，利用大气等离子喷涂方法，在重型燃气轮机高温叶片的粘结层表面喷涂制备陶瓷层；其中，陶瓷层兼具最优纵向裂纹密度范围和最优孔隙率范围；
步骤D6、对重型燃气轮机高温叶片上的设计陶瓷层区域进行激光重熔。
6.按照权利要求5所述的一种重型燃气轮机高温叶片热障涂层的制备方法，其特征在于：步骤D6中的设计陶瓷层区域为重型燃气轮机高温叶片上最靠近来流燃气的前缘区域；
激光重熔的具体过程为：使用Nd:YAG脉冲激光器对设计陶瓷层区域进行激光重熔；其中，激光波长为1064nm，方形脉冲，激光的光斑直径为1mm，激光的脉冲频率为1Hz～7Hz，激光的平均功率为500W～700W，激光的脉冲宽度为2ms～7ms。
7.按照权利要求1所述的一种重型燃气轮机高温叶片热障涂层的制备方法，其特征在于：所述的兼具表面纵向裂纹和梯度孔隙的陶瓷层的抗剥落性能测试方法包括以下步骤：
步骤E1、确定重型燃气轮机高温叶片热障涂层的服役工况；如果为热冲击工况，执行步骤E2；如果为长时高温氧化工况，执行步骤E3；如果为等温热循环工况，执行步骤E4；其中，根据重型燃气轮机高温叶片热障涂层获取热障涂层试样；
步骤E2、对热障涂层试样进行热冲击工况下的抗剥落性能测试，同时观察热障涂层试样的剥落面积是否达到临界剥落面积；如未达到，持续测试，直到涂层剥落面积达到临界剥落面积为止；记录此时热障涂层试样经历的热冲击次数，并将其记为重型燃气轮机高温叶片热障涂层在热冲击工况下的抗剥落寿命；
步骤E3、对热障涂层试样进行长时高温氧化工况下的抗剥落性能测试，同时观察热障涂层试样的剥落面积是否达到临界剥落面积；如未达到，持续测试，直到涂层剥落面积达到临界剥落面积为止；记录此时热障涂层试样经历的高温氧化时间，并将其记为重型燃气轮机高温叶片热障涂层在长时高温氧化工况下的抗剥落寿命；
步骤E4、对热障涂层试样进行等温热循环测试，同时观察热障涂层试样的剥落面积是否达到临界剥落面积；如未达到，持续测试，直到涂层剥落面积达到临界剥落面积为止；记录此时热障涂层试样经历的等温热循环次数，并将其记为重型燃气轮机高温叶片热障涂层在等温热循环工况下的抗剥落寿命。
8.按照权利要求7所述的一种重型燃气轮机高温叶片热障涂层的制备方法，其特征在于：步骤E2，具体过程如下：
步骤E201、使用定向加热方法，对热障涂层试样顶面进行热冲击测试，同时对热障涂层试样底面吹压缩空气冷却，使其沿厚度方向形成温度梯度；
步骤E202、观察热障涂层试样的剥落面积是否达到临界剥落面积；如果未达到，则热障涂层试样未失效，对热障涂层试样进行下一次热冲击测试，并将该热障涂层试样的抗剥落寿命加1；如果达到，则热障涂层试样失效；其中，热障涂层试样的抗剥落寿命的初始值为零；
步骤E203、多次重复步骤E202，直至涂层剥落面积达到临界剥落面积，停止测试；同时，记录此时热障涂层试样经历的热冲击次数，并将其记为重型燃气轮机高温叶片热障涂层在热冲击工况下的抗剥落寿命。
9.按照权利要求7所述的一种重型燃气轮机高温叶片热障涂层的制备方法，其特征在于：步骤E3，具体过程如下：
步骤E301、将热障涂层试样放入高温氧化炉，对其进行长时高温氧化测试；
步骤E302、每间隔100h，取出氧化后的热障涂层试样，观察其剥落面积是否达到临界剥落面积；如果未达到，则热障涂层试样未失效，将其放入氧化炉继续进行高温氧化；如果达到，则热障涂层试样失效；
步骤E303、多次重复步骤E302，直至涂层剥落面积达到临界剥落面积，停止测试；同时，记录此时热障涂层试样经历的高温氧化时间，并将其记为重型燃气轮机高温叶片热障涂层在长时高温氧化工况下的抗剥落寿命。
10.按照权利要求7所述的一种重型燃气轮机高温叶片热障涂层的制备方法，其特征在于：步骤E4，具体过程如下：
步骤E401、对热障涂层试样进行等温热循环测试；
步骤E402、观察热障涂层试样的剥落面积是否达到临界剥落面积；如果未达到，则热障涂层试样未失效，对热障涂层试样进行下一次等温热循环测试，并将该热障涂层试样的抗剥落寿命加1；如果达到，则热障涂层试样失效；其中，热障涂层试样的抗剥落寿命的初始值为零；
步骤E403、多次重复步骤E402，直至涂层剥落面积达到临界剥落面积，停止测试；同时，记录此时热障涂层试样经历的等温热循环次数，并将其记为重型燃气轮机高温叶片热障涂层在等温热循环工况下的抗剥落寿命。
11.按照权利要求1所述的一种重型燃气轮机高温叶片热障涂层的制备方法，其特征在于：所述的兼具表面纵向裂纹和梯度孔隙的陶瓷层的临界剥落面积的判定方法包括以下步骤：
步骤F1、采用计算机，利用ANSYS有限元分析软件，建立重型燃气轮机高温叶片的热障涂层流固耦合传热模型，获取热障涂层流固耦合传热模型中，第个热障涂层模型中陶瓷层的剥落面积为/>和涂层厚度为/>时陶瓷层处的最高壁面温度为/>；
步骤F2、多次重复步骤F1，直至得到个热障涂层模型下，剥落面积为/>和涂层厚度为/>时陶瓷层处的最高壁面温度为/>；其中，/>和/>为正整数，且/>，/>大于4；
步骤F3、采用计算机，建立剥落面积、涂层厚度和最高壁面温度的函数模型；
步骤F4、采用计算机，令最高壁面温度取陶瓷层的设计烧结温度、涂层厚度取陶瓷层的设计厚度，输入步骤F3中建立的剥落面积、涂层厚度和最高壁面温度的函数模型，得到剥落面积，并将该剥落面积记作临界剥落面积。
12.按照权利要求11所述的一种重型燃气轮机高温叶片热障涂层的制备方法，其特征在于：步骤F1中获取第个热障涂层模型中陶瓷层的剥落面积为/>和涂层厚度为/>时陶瓷层处的最高壁面温度为/>，具体过程如下：
步骤F101、采用计算机，利用ANSYS有限元分析软件，建立重型燃气轮机高温叶片的热障涂层流固耦合传热模型；其中，所述热障涂层流固耦合传热模型中陶瓷层表面设置为流固耦合面；
步骤F102、采用计算机，利用ANSYS有限元分析软件，对热障涂层流固耦合传热模型进行网格划分；其中，网格长宽比为0.5～10；
步骤F103、采用计算机，利用ANSYS有限元分析软件，设置来流燃气质量流量、流体入口的压力、流体出口的压力均为设计值；
步骤F104、采用计算机，利用ANSYS有限元分析软件设置第个热障涂层模型对应的剥落面积为/>，涂层厚度为/>；
步骤F105、采用计算机，利用ANSYS有限元分析软件在第个热障涂层模型下，对热障涂层流固耦合传热模型进行求解，得到剥落面积为/>和涂层厚度为/>下陶瓷层处的最高壁面温度为/>。
13.按照权利要求11所述的一种重型燃气轮机高温叶片热障涂层的制备方法，其特征在于：步骤F3中采用计算机，建立剥落面积、涂层厚度和最高壁面温度的函数模型，具体过程如下：
步骤F301、采用计算机，建立努塞尔数方程（1），如下式：
；其中，/>表示热障涂层表面的换热系数，/>表示来流燃气的直径，表示来流燃气的导热系数；/>表示努塞尔数；
步骤F302、采用计算机，建立努塞尔数方程（2），如下式：
；其中，/>表示待拟合第一参数，/>表示待拟合第二参数，/>表示待拟合第三参数，/>表示剥落面积，/>表示涂层厚度；
步骤F303、采用计算机，建立换热系数与温度方程（3），如下式：
；其中，/>表示来流燃气入口温度，/>表示来流燃气出口温度，且/>，/>表示出入口温度拟合系数，/>表示来流燃气质量流量，/>表示来流燃气的定压比热容，/>表示圆周率，/>表示热障涂层模型的直径；/>表示陶瓷层处的最高壁面温度；
步骤F304、采用计算机，联立步骤F301至步骤F303中的方程（1）至方程（3），得到方程（4），如下式：
；
步骤F305、采用计算机，利用组剥落面积、涂层厚度和最高壁面温度对方程（4）进行回归分析，拟合得到待拟合第一参数/>、待拟合第二参数/>、待拟合第三参数/>和出入口温度拟合系数/>；
步骤F306、采用计算机，将待拟合第一参数、待拟合第二参数/>、待拟合第三参数和出入口温度拟合系数/>代入方程（4），得到剥落面积、涂层厚度和最高壁面温度的函数模型。
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