熱障涂層失效機制和壽命預(yù)測研究概述

魏錚 胡捷 上海電氣中央研究院 (200070）

魏錚（1956年～），男，高級工程師，主要從事新材料開發(fā)試驗和應(yīng)用研究工作。

0 序言

燃?xì)廨啓C透平葉片熱障涂層的性能取決于它的隔熱性能和防高溫氧化等性能，而對其在高溫狀態(tài)下的失效機制研究也是熱障涂層研究的重要內(nèi)容之一，闡明熱障涂層失效機制直接關(guān)系到熱障涂層服役壽命的預(yù)測。導(dǎo)致熱障涂層在服役過程中失效的主要因素包括殘余應(yīng)力、高溫氧化、燒結(jié)效應(yīng)及相變、沖蝕與外界物體的撞擊損傷等，而且上述幾方面因素往往共同作用，影響涂層的服役壽命。熱障涂層壽命的預(yù)測需建立在闡明涂層失效機制的基礎(chǔ)上，熱障涂層壽命預(yù)測系統(tǒng)的建立一般包括判斷關(guān)鍵的失效機理、建立應(yīng)力/應(yīng)變模型以及根據(jù)應(yīng)力狀態(tài)和相關(guān)的失效標(biāo)準(zhǔn)建立壽命數(shù)學(xué)表達(dá)式，各種壽命預(yù)測模型主要是根據(jù)實驗結(jié)果的經(jīng)驗或半經(jīng)驗公式。

1 熱障涂層失效機制

影響熱障涂層失效剝落的因素眾多，但主要有以下幾個方面：

(1) 殘余應(yīng)力的作用。熱障涂層是一種典型的多層結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，通常由基體、粘結(jié)層以及陶瓷層組成，涂層在制備過程中及循環(huán)熱考核條件下，由于各層材料間的熱物理性能參數(shù)的差異，涂層內(nèi)會形成較大的熱失配應(yīng)力；

(2) 高溫氧化的作用。涂層在高溫條件下服役時，粘結(jié)層中的鉻、鋁等元素與陶瓷層中的氧元素在陶瓷層/粘結(jié)層之間處發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成熱生長氧化物TGO (Thermally Grown Oxide) 層。伴隨TGO的增厚，在陶瓷層/粘結(jié)層界面附近產(chǎn)生的應(yīng)力是影響涂層性能的最關(guān)鍵因素之一；

(3) 燒結(jié)及相變影響。由于熱障涂層在較高溫度下服役，陶瓷層中會發(fā)生燒結(jié)和相變現(xiàn)象，導(dǎo)致涂層中的力學(xué)性能諸如彈性模量、硬度及斷裂韌性等力學(xué)性能發(fā)生改變，進(jìn)而影響涂層的服役性能；

(4) 外界物的撞擊及沖蝕損傷。

1.1 殘余應(yīng)力的作用

熱噴涂涂層的失效形式主要表現(xiàn)為界面“層離”，這不僅與材料界面狀態(tài)有關(guān)，還與殘余應(yīng)力密切相關(guān)。以等離子體噴涂制備的涂層的失效為例，其失效主要是發(fā)生在粘結(jié)層與氧化層的界面、氧化層與陶瓷層界面以及陶瓷層的內(nèi)部等位置，其失效機理主要可以歸納為以下四種，如圖1所示[1]。

圖1 熱噴涂涂層的失效機理

(1) 失效機理I：粘結(jié)層界面波峰處產(chǎn)生張應(yīng)力，在波谷處產(chǎn)生壓應(yīng)力，并且波峰處的張應(yīng)力隨著TGO增厚而逐漸增大，導(dǎo)致涂層在粘結(jié)層/TGO層界面波峰處發(fā)生開裂現(xiàn)象。

(2) 失效機理II：由于各層材料間的熱膨脹系數(shù)的不匹配，涂層由高溫冷卻到室溫的過程中會在陶瓷層/TGO層界面的波峰處產(chǎn)生張應(yīng)力，在波谷處產(chǎn)生壓應(yīng)力，而波峰處的張應(yīng)力會促使微裂紋在陶瓷層/TGO層界面波峰處萌生和擴展。

(3)失效機理III：在涂層服役過程中，靠近陶瓷層/TGO層界面附近的陶瓷層內(nèi)產(chǎn)生張應(yīng)力，當(dāng)陶瓷層內(nèi)波峰附近處的張應(yīng)力達(dá)到其破壞強度時，微裂紋將在陶瓷層中萌生。

(4) 失效機理IV：氧化初期，當(dāng)TGO較薄時，TGO的熱膨脹系數(shù)與陶瓷層和粘結(jié)層的不匹配對涂層整體的應(yīng)力分布影響并不明顯。隨著TGO層的增厚，由于TGO層的熱膨脹系數(shù)相比粘結(jié)層和陶瓷層的都低，當(dāng)TGO層厚度超過一定值時，會導(dǎo)致界面波峰和波谷處的應(yīng)力性質(zhì)發(fā)生改變，即波峰處由張應(yīng)力轉(zhuǎn)為壓應(yīng)力，波谷區(qū)域由壓應(yīng)力轉(zhuǎn)為張應(yīng)力，而這一改變將導(dǎo)致裂紋在陶瓷層內(nèi)的兩波峰間萌生和擴展。

Mao等[2]考慮了陶瓷層的高溫蠕變性能、TGO增厚等因素，推導(dǎo)出了涂層系統(tǒng)平板模型的各層應(yīng)力隨熱循環(huán)數(shù)目的變化關(guān)系。研究表明，由于涂層體系內(nèi)產(chǎn)生了不可逆的材料變形，陶瓷層內(nèi)的應(yīng)力場隨著熱循環(huán)過程中熱循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸增大，最終可促使界面微裂紋的擴展，進(jìn)而導(dǎo)致陶瓷層剝落。Ranjbar-Far等[3]基于有限元法研究了界面屈曲的波幅和氧化、材料性能諸如塑性變形、高溫蠕變等因素對涂層應(yīng)力分布的影響。從圖2可以看出，陶瓷層與粘結(jié)層在冷卻完成后的軸向應(yīng)力S22隨著TGO的增厚而增大，當(dāng)TGO層厚1μm時，系統(tǒng)內(nèi)最大張應(yīng)力與最大壓應(yīng)力分別為286 MPa、-337MPa；當(dāng)TGO層厚增加到5μm時，系統(tǒng)內(nèi)最大張應(yīng)力與最大壓應(yīng)力分別達(dá)到了為511 MPa、-468 MPa。最大張應(yīng)力的位置出現(xiàn)在粘結(jié)層的波峰處，最大壓應(yīng)力的位置出現(xiàn)在粘結(jié)層內(nèi)的波谷處，隨著TGO厚度的增加，粘結(jié)層內(nèi)受張應(yīng)力的范圍會有擴大的趨勢。在陶瓷層內(nèi)，隨著TGO厚度的增加，波峰處的應(yīng)力由張應(yīng)力向壓應(yīng)力發(fā)生轉(zhuǎn)變，并且最大拉應(yīng)力的位置由波峰處向中間位置發(fā)生移動，因此，TGO厚度增加到一定程度時，還可能在陶瓷層的波峰與波谷的中部位置發(fā)生破壞。

圖2 陶瓷層與粘結(jié)層內(nèi)S22的分布云圖[TGO的厚度為(a)1μm (b)3μm (c)5μm]

1.2 高溫氧化的作用

熱生長氧化層是影響熱障涂層材料熱力學(xué)性能和耐久性的關(guān)鍵因素。高溫環(huán)境下多孔介質(zhì)氧化鋯陶瓷涂層是氧的良導(dǎo)體，氧通過陶瓷層向粘結(jié)層擴散，與粘結(jié)層中的鋁元素在界面處生成α-Al2O3層，即TGO層。Tolpoygo和Clarke等[4-6]研究表明，當(dāng)整個材料系統(tǒng)從高溫工作狀態(tài)冷卻到常溫環(huán)境時，涂層與基底間的熱膨脹失配現(xiàn)象在熱生長氧化物層中產(chǎn)生大小為3～6GPa的殘余壓應(yīng)力。TGO層增厚過程中其本身也產(chǎn)生應(yīng)力，其值一般小于1GPa，但對材料性能的影響很明顯。TGO層的厚度通常僅為3～10μm，其中積蓄的應(yīng)變能密度可以相當(dāng)高，足以誘發(fā)各種使材料破環(huán)和失效的機制。

1.3 燒結(jié)及相變影響

Tsipas和Gong等[7-9]研究表明，熱障涂層在高溫下服役時，陶瓷層會發(fā)生燒結(jié)現(xiàn)象，導(dǎo)致涂層性能發(fā)生改變，如氣孔率降低、熱導(dǎo)率升高及彈性模量增加。燒結(jié)現(xiàn)象還會導(dǎo)致涂層中殘余應(yīng)力的改變，這也是涂層中垂直于界面的微裂紋擴展的重要機制之一。陶瓷層的相變也是影響涂層失效的重要因素。ZrO2陶瓷存在四方相、單斜相和立方相三種晶型。在熱障涂層的服役過程中，隨著不同階段的溫度變化，ZrO2陶瓷會發(fā)生相變。而單斜相向四方相的轉(zhuǎn)變會導(dǎo)致材料體積發(fā)生改變，在陶瓷層中產(chǎn)生相變應(yīng)力，成為陶瓷層中微裂紋擴展的重要機制之一。

1.4 外界物的撞擊及沖蝕損傷

熱障涂層的外界物的撞擊及沖蝕損傷主要是指被吸入燃?xì)廨啓C中的外界物在氣輪機工作時會撞擊葉片表面的熱障涂層，可導(dǎo)致涂層發(fā)生失效。涂層的失效位置主要在陶瓷層的頂部，但有時也會導(dǎo)致整個陶瓷層發(fā)生剝落現(xiàn)象。Evans和Zhang等[10,11]研究表明，外界物的撞擊不僅會使陶瓷層的微觀形貌發(fā)生嚴(yán)重的壓縮變形，從而使陶瓷層內(nèi)發(fā)生剝落現(xiàn)象。此外，有些外界物的撞擊還會使陶瓷層內(nèi)存在的微裂紋沿著涂層厚度方向擴展到陶瓷層/粘結(jié)層界面，并與沿著界面處萌生和擴展的微裂紋發(fā)生連接，最終可導(dǎo)致陶瓷層的剝落。

圖3表示外界物的撞擊及沖蝕損傷的示意。

圖3 外界物體損傷示意

2 熱障涂層壽命預(yù)測

建立熱障涂層在不同服役條件下的壽命預(yù)測模型，可對涂層體系和噴涂工藝等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，進(jìn)而對航天、航空用發(fā)動機的設(shè)計有著重要的理論指導(dǎo)意義。壽命預(yù)測的建立一般包括以下幾個步驟：判斷涂層關(guān)鍵的失效機理和失效位置、建立涂層在服役條件下的應(yīng)力/應(yīng)變模型、根據(jù)涂層應(yīng)力的分布或其他相關(guān)失效標(biāo)準(zhǔn)建立壽命預(yù)測的數(shù)學(xué)表達(dá)式。目前為止，國內(nèi)外的各種涂層壽命預(yù)測模型主要是基于實驗結(jié)果基礎(chǔ)上建立的經(jīng)驗或半經(jīng)驗公式。

2.1 基于連續(xù)損傷累計的壽命預(yù)測模型

熱障涂層的服役過程需要經(jīng)歷不斷的冷熱的工作環(huán)境。涂層在加熱-冷卻過程中，高溫?zé)Y(jié)、TGO的增厚以及各層材料間熱物理性能差異等因素會導(dǎo)致涂層體系中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力不斷的累積，同時涂層的損傷也在不斷的疊加?？赏ㄟ^定義損傷變量的臨界值作為判斷涂層是否發(fā)生失效，進(jìn)而可從涂層損傷變量的變化和循環(huán)累積的角度建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式對涂層的壽命進(jìn)行預(yù)測。

Busso等[12]針對等離子噴涂熱障涂層體系，采用有限元法建立涂層“正弦曲線”界面模型，考慮到燒結(jié)、材料物性參數(shù)不匹配及高溫氧化等因素對殘余應(yīng)力的影響，基于疲勞損傷主要受涂層體系內(nèi)的軸向應(yīng)力（垂直于界面方向）的影響，通過有限元計算獲得熱循環(huán)過程中，涂層在界面波峰附近中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力分布。獲得殘余應(yīng)力的數(shù)值解后，借鑒Chaboche的連續(xù)損傷力學(xué)模型，建立基于連續(xù)損傷力學(xué)的壽命預(yù)測模型：在熱循環(huán)初始階段，定義損傷變量D=0，當(dāng)涂層系統(tǒng)失效后定義損傷變量D=1，以此來預(yù)測涂層的熱循環(huán)壽命。

Liu等[13]基于涂層損傷累積的根本原因在于涂層中殘余應(yīng)力隨著熱循環(huán)次數(shù)的增加而增加假設(shè)前提，結(jié)合熱震實驗和有限元模擬計算，建立如下的熱障涂層壽命預(yù)測模型：

其中Nf為失效時的熱循環(huán)數(shù)目，Δσ熱循環(huán)應(yīng)力的范圍，A與b分別為由熱震實驗數(shù)據(jù)擬合得到的相關(guān)參數(shù)。這個模型認(rèn)為熱障涂層復(fù)雜的失效過程可由單一的參數(shù)如殘余應(yīng)力來確定。

2.2 基于特定參量監(jiān)測的壽命預(yù)測模型

國內(nèi)外部分研究人員基于特定參量的變化來預(yù)測熱障涂層的使用壽命, 如監(jiān)測聲發(fā)射能量累計、裂紋擴展長度、損傷面積及TGO中應(yīng)力的變化等。

He等[14]提出了基于斷裂性能的變化模型來預(yù)測涂層的壽命，模型中假設(shè)當(dāng)涂層中微裂紋的能量釋放率達(dá)到斷裂韌性時，微裂紋將在涂層該區(qū)域發(fā)生擴展并導(dǎo)致涂層失效。其表達(dá)式為：

其中Nf為最終熱循環(huán)次數(shù)，N0為臨界熱循環(huán)數(shù)，Гtbc為斷裂韌性，Etbc為彈性模量，L為界面正弦波的半波長，Δα是涂層與基底的熱膨脹系數(shù)差異，ΔT為熱循環(huán)冷卻過程中的溫度差，k為與TGO厚度相關(guān)的一個參數(shù)。

Jordan等[15]利用光致熒光法實時監(jiān)測服役過程中在涂層TGO層內(nèi)產(chǎn)生的殘余應(yīng)力的變化。分別采用回歸分析和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法建立了涂層壽命預(yù)測的經(jīng)驗?zāi)Ｐ筒⑴c實驗結(jié)果作對比。研究表明采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法所建立的壽命預(yù)測模型更加準(zhǔn)確。Barber等[16]利用光致熒光法定性和定量分析了熱障涂層系統(tǒng)的裂紋擴展過程和壽命預(yù)測情況。當(dāng)界面裂紋開裂區(qū)域損傷累計面積達(dá)到某一數(shù)值時作為判斷涂層是否發(fā)生失效。所建立的模型預(yù)測涂層壽命與實驗結(jié)果相比能較好的吻合。

2.3 基于界面氧化的壽命預(yù)測模型

TGO的增厚是導(dǎo)致涂層失效的重要因素之一，可根據(jù)TGO增厚過程中的應(yīng)力變化建立預(yù)測涂層壽命的模型。Miller等[17]基于假設(shè)界面氧化是控制涂層壽命的唯一主要因素建立了涂層相應(yīng)的壽命預(yù)測模型。在服役過程中，陶瓷層內(nèi)的殘余應(yīng)力隨著熱循環(huán)的次數(shù)不斷增加，氧化所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力的積累促使陶瓷層裂紋的萌生和擴展，最終導(dǎo)致涂層失效。

3 結(jié)語

熱障涂層體系是一個復(fù)雜的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，熱障涂層的應(yīng)用環(huán)境苛刻，影響其失效的因素眾多而復(fù)雜。因此，研究熱障涂層失效機制需同時考慮多種因素的共同作用。在此研究基礎(chǔ)上，才能建立起更加符合其使役條件的失效及壽命預(yù)測模型。

[1] N. P. Padture, et al. Science, 2002, 296:280-284.

[2] W. G. Mao, Y. C. Zhou, et al. Mechanics of Materials, 2006, 38:1118-1127.11

[3] M. Ranjbar-Far, J. Absi, G. Mariaux, F. Dubois.Materials and Design, 2010, 31(2):772-781.

[4] D. R. Clarke, D. M. Lipkin. Oxidation of Metals,1996, 45:267-280.

[5] V. K. Tolpoygo, D. R. Clarke. Oxidation of Metals, 1998, 49:187-211.

[6] V. K. Tolpoygo, D. R. Clarke. Acta Materialia,1998, 81:3237-3242.

[7] H. B. Xu, S. K. Gong, L. Q. Chen, C. X. Zhang.Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2004, 30(10):919-923. ( in Chinese).

[8] S. A. Tsipas. Journal of the European Ceramic Society, 2010, 30:61-72.

[9] M. H. Li, X. F. Sun, S. K. Gong, Z. Y. Zhang,R. Guan, Z. Q. Hu. Surface and Coatings Technology,2004, 176:209-214.

[10] X. Chen, R. Wang, N. Yao, A. G. Evans, J.W. Hutchinson, R. W. Bruce. Materials Science and Engineering A, 2003, 352:221-231.

[11] D. Zhang, J. Turso, W. Pavlik, I. Lopez. NASA Technical Memorandum, 213588, 2005.

[12] E. P. Busso, J. Lin, S. Sakurai. Acta Materialia,2001, 49:1529-1536.

[13] Y. Liu, C. Persson, J. Wigren. Journal of Thermal Spray Technology, 2004, 3(3): 415-424.

[14] M. Y. He, J. W. Hutchinson, A. G. Evans.Materials Science and Engineering A, 2003, 345:172-178.

[15] M. Wen, E. H. Jordan. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 2006, 128:610-616.

[16] B. Barber, E. Jordan, M. Gell. Journal o f the Electrochemical Society, 1998, 8(1):79-85.

[17] R. A. Miller. Journal of American Ceramic Society, 1984, 67(8):517-52.