航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片熱障涂層失效分析研究

付倩倩，通雁鵬，楊玉璋

(山西大同大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山西 大同 037000)

0 引言

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，航空發(fā)動(dòng)機(jī)朝著更高的氣流量、更高的推重比、更高的工作溫度的方向發(fā)展[1-2]，航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的實(shí)際使用溫度要求越來越高。為了提高葉片本身的耐熱溫度，一般在葉片表面涂覆熱障涂層。即在金屬表面，通過某種工藝方式涂覆包括金屬粘結(jié)層以及陶瓷層組成的涂層體系。這種厚度在100～500 μm 范圍的熱障涂層體系連同葉片內(nèi)部的冷卻系統(tǒng)，可以使 Ni 基高溫合金的表面溫度下降100～300 ℃，極大地提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率、工作穩(wěn)定性和綜合性能。目前熱障涂層的主要工藝有等離子體噴涂和電子束輔助物理氣相沉積(EB-PVD)[3]。常用的熱障涂層材料有7%～8%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Y2O3-ZrO2、La2Zr2O7等[4]。8YSZ熔點(diǎn)高、高溫下較穩(wěn)定、熱導(dǎo)率低和抗熱沖擊性較好，目前應(yīng)用最廣泛。航空發(fā)動(dòng)機(jī)在高溫工作過程中，合金粘接層會(huì)發(fā)生氧化，而生成一層熱生長(zhǎng)氧化物(Thermally grown oxides, TGOs)，一些外來物(如粉塵、沙粒、火山灰及其他雜質(zhì))會(huì)隨著空氣一起進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部，在高溫燃?xì)庾饔孟氯刍⒊练e在 TBC表面，其主要成分為CMAS(CaO、MgO、Al2O3、SiO2等硅酸鋁鹽物質(zhì)的簡(jiǎn)稱)[5-10]。在熱障涂層眾多失效因素(如熱疲勞、高溫氧化、燒結(jié)、蠕變及外來沉積物熔鹽腐蝕)中，TGOs快速生長(zhǎng)而產(chǎn)生的界面應(yīng)力致使TBC失效與CMAS腐蝕失效是熱障涂層的兩大失效因素。本研究對(duì)采用超音速等離子噴涂制備的航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片8%YSZ涂層進(jìn)行失效分析，分析葉片不同部位的失效方式及機(jī)理。

1 試驗(yàn)方法

1.1 樣品制備

本次試驗(yàn)采用航空發(fā)動(dòng)機(jī)在1 300 ℃服役若干小時(shí)失效的葉片，葉片形貌如圖1所示，此時(shí)葉背后緣涂層有明顯剝落。該葉片涂層采用超音速等離子噴涂系統(tǒng)制備，粘結(jié)層為CoNiCrAlY粉末，陶瓷粉末采用8%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Y2O3的微米團(tuán)聚體，為進(jìn)一步分析葉片失效方式及機(jī)理，將葉片分區(qū)制樣，葉片共分9個(gè)區(qū)域，用1～9標(biāo)號(hào)，然后將每一區(qū)域的樣品切割1小塊鑲嵌，制備截面樣品，研磨拋光。

1.2 涂層微觀組織結(jié)構(gòu)與能譜分析

采用配有INCA-Sight IE350型能譜儀的掃描電子顯微鏡(SEM，VEGAII XMU，Tescan，Czech Republic)對(duì)9個(gè)區(qū)域的樣品涂層進(jìn)行分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 粘結(jié)層/基體分層的失效

圖2a是后緣部位1號(hào)葉盆的SEM照片，從圖中可以看到涂層在粘結(jié)層和基體界面出現(xiàn)分層現(xiàn)象，起始于樣品尖角處，導(dǎo)致涂層與基體分開，并逐步沿著圖中箭頭方向發(fā)展。在2～6號(hào)樣品上都觀察到了這種現(xiàn)象。

圖1 樣品分割圖Fig.1 Segmentation map of the sample

葉片涂層表面受高溫、高壓氣流沖擊，合金粘接層在高溫條件下會(huì)產(chǎn)生蠕變應(yīng)力，另外，基體與粘結(jié)層熱膨脹系數(shù)不匹配也會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力，同時(shí)后緣尖角部位葉片形狀不規(guī)則，使得后緣部位較前緣部位產(chǎn)生應(yīng)力大[11]，在應(yīng)力作用下，涂層與葉片基體的結(jié)合能力減弱，容易在葉片尖角部位引發(fā)裂紋，從而導(dǎo)致葉片在高溫服役環(huán)境過程中與粘結(jié)層分層。若葉片繼續(xù)使用，則因熱沖擊的作用將會(huì)引起涂層沿裂紋發(fā)生大面積剝落。

2.2 TGO/Top coat界面分層失效

圖3是葉片前緣部位7號(hào)樣品的SEM照片，在8、9號(hào)樣品上也觀察到這種現(xiàn)象。圖4與表1是7號(hào)樣品SEM及EDS檢測(cè)結(jié)果。葉片在使用過程中，前緣部位溫度較后緣部位高[12]，這種高溫環(huán)境使得合金粘接層發(fā)生氧化，從而生成一層TGOs，這種熱生長(zhǎng)氧化物在生長(zhǎng)初期主要以Al2O3為主，致密的Al2O3層對(duì)阻止合金粘接層的進(jìn)一步氧化起著一定的積極作用。同時(shí)，一些其他的氧化物如Cr2O3、NiO、尖晶石(NiAl2O4、NiCr2O4、CoAl2O4、CoCr2O4[13])等較Al2O3生長(zhǎng)速度更快，導(dǎo)致在TGO/陶瓷層界面處產(chǎn)生大量的生長(zhǎng)應(yīng)力，由于在噴涂之前要對(duì)基體做噴砂處理以增大粘接層或陶瓷層的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，所以界面會(huì)出現(xiàn)如圖3所示的“波浪”形貌[1]，TGOs與合金粘接層相比，其熱膨脹系數(shù)較低，TGOs/陶瓷層界面的頂部主要受拉應(yīng)力作用，而底部則受到壓應(yīng)力作用，拉應(yīng)力使裂紋在TGOs/陶瓷層界面頂部萌生及擴(kuò)散。

2.3 CMAS腐蝕失效

另外，在所有的9個(gè)樣品上都觀察到了CMAS腐蝕。由于葉片整個(gè)暴露在空氣中，導(dǎo)致空氣中的粉塵、砂礫附著在葉片的各個(gè)部位形成CMAS腐蝕。

圖5是2號(hào)樣品的SEM照片，從圖中可以看到CMAS附著在涂層表面，CMAS沿縱向裂紋滲入YSZ涂層內(nèi)部。圖6是2號(hào)樣品能譜分析，可以發(fā)現(xiàn)CMAS中的Ca、Si、Mg元素已經(jīng)滲入到涂層內(nèi)部，涂層中的Zr元素也滲入到CMAS中。CMAS對(duì)YSZ有很好的潤(rùn)濕性，同時(shí)粘度較低(1 121 ℃時(shí)的粘度約為 49 Pa·s[14])，熔點(diǎn)大約為1 240 ℃[14]。而渦輪葉片使用溫度約為1 300 ℃，此時(shí)CMAS完全熔化，因此可以迅速沿微裂紋、柱狀晶間隙和層狀界面等缺陷滲入到Y(jié)SZ涂層內(nèi)部與涂層發(fā)生反應(yīng)。

圖2 樣品截面微觀結(jié)構(gòu)Fig.2 Microstructure (cross-section) of sample

圖3 樣品7的微觀結(jié)構(gòu)Fig.3 Microstructure (cross-section) of sample 7

圖4 能譜取樣位置Fig.4 Energy spectrum detection of coating表1 能譜檢測(cè)結(jié)果 (質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%)Table 1 Spectrum scanning spot test results (mass fraction /%)

ElementCOAlCrFeCoNiContent0.162.4925.6340.060.814.2826.56

圖5 2號(hào)樣品的CMAS腐蝕Fig.5 CMAS corrosion of sample 2

CMAS腐蝕引發(fā)涂層失效主要有2個(gè)方面的因素。一方面，CMAS與YSZ陶瓷層發(fā)生化學(xué)反應(yīng)引起YSZ相結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。圖7所示是CMAS滲入的示意圖，CMAS在涂層內(nèi)部連通的孔和裂紋周圍聚集并滲入到Y(jié)SZ晶界，導(dǎo)致大量YSZ晶粒分散在CMAS中，Y元素溶解在CMAS中，形成 Ca2Y8(SiO4)6O2，引起YSZ涂層疏松化[14]，同時(shí)Y元素的減少引起t’相YSZ的不穩(wěn)定，而 Ca2+進(jìn)入YSZ提高了c-YSZ相的穩(wěn)定性。CMAS與YSZ反應(yīng)后，YSZ發(fā)生了t’→t+c→m+c的相轉(zhuǎn)變，從亞穩(wěn)態(tài)的t’相轉(zhuǎn)化為富Y的c相和貧Y的m相，這種破壞性的相轉(zhuǎn)化伴隨著3%～5%的體積膨脹[14-16]，產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，這種內(nèi)應(yīng)力是涂層剝落的誘因。另一方面，由于熔融的CMAS滲入涂層，填充了涂層中的孔隙，形成了一層致密層，使陶瓷層應(yīng)變?nèi)菹藿档?。由于致密層和未被CMAS滲入的涂層的熱膨脹系數(shù)的不匹配，導(dǎo)致橫向裂紋的產(chǎn)生并引起陶瓷層的剝落失效。

圖6 CMAS/陶瓷涂層界面能譜分析掃描圖Fig.6 EDS map scanning of the CMAS class/top coat interface

圖7 CMAS滲入示意圖Fig.7 Schematic illustration of CMAS class infiltrating into the top coat

2.4 提高涂層壽命的方法

如前所述，TGOs的過快生長(zhǎng)是熱障涂層失效的一個(gè)重要原因，有研究表明，在原有的MCrAlY合金體系中加入Re、Ta及Pt等金屬元素，可以明顯地提高合金在高溫下的熱循環(huán)使用壽命及抗氧化能力，Ta的加入可以強(qiáng)化基體，提高合金在高溫下的力學(xué)性能，而Pt的添加可以提高TGOs與金屬粘接層及陶瓷層的結(jié)合強(qiáng)度，與此同時(shí)，加入Pt后形成的β-(Ni, Pt)Al與原有的β-NiAl相比，具有更加優(yōu)異的抗氧化能力，從而提高了MCrAlY合金體系的使用壽命，但添加上述金屬元素也使粘接層制備成本大幅增加[17]。

另一方面，由于縱向裂紋等缺陷是CMAS滲入的通道，制備涂層時(shí)應(yīng)優(yōu)化工藝參數(shù)，獲得致密的、縱向裂紋少的涂層。此外，Rai等[15]采用磁控濺射方法在YSZ表面沉積了厚度約為 25 μm Pd層;又進(jìn)一步采用電子束重熔(Electronbeam glazing，EB glazing)，制備了較為致密光滑的 Pd 層，極大地提高了對(duì) CMAS 的阻擋作用。

3 結(jié)論

1)航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的后緣部位易發(fā)生基體/粘結(jié)層分層失效。

2)對(duì)于前緣部位，TGO/Top coat界面分層失效是主要的失效方式之一。

3)CMAS附著在涂層表面，沿著縱向裂紋等缺陷滲透到涂層內(nèi)部，引發(fā)涂層產(chǎn)生橫向分層。

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