EB-PVD熱障涂層微觀損傷行為

姜 濤，劉德林，劉 洲，牟仁德，何利民

(1.中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院，北京100095；2.航空工業(yè)失效分析中心，北京100095；3.航空材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100095；4.材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100095)

0 引言

為了滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片等熱端部件材料更加苛刻的服役環(huán)境要求，熱障涂層(TBCs)技術(shù)得到了廣泛重視，涂層失效及壽命是熱障涂層研究和能否實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用首先需要關(guān)注的問題[1-2]。熱障涂層的失效涉及多因素耦合作用，其失效行為和機(jī)理異常復(fù)雜。例如陶瓷涂層與基體之間熱膨脹系數(shù)差異產(chǎn)生的熱應(yīng)力、粘結(jié)層氧化導(dǎo)致TGO層增厚產(chǎn)生的應(yīng)力、YSZ相變應(yīng)力、YSZ陶瓷層的燒結(jié)收縮應(yīng)力以及熔鹽沉積帶來的熱腐蝕破壞等等。在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中，發(fā)動(dòng)機(jī)工作葉片表面的熱障涂層還要承受彎曲、振動(dòng)甚至撞擊等機(jī)械應(yīng)力作用，因此涂層的工作環(huán)境不僅僅是高溫氧化腐蝕，而且有機(jī)械載荷[3-4]。

本研究通過對(duì)EB-PVD制備的TBCs涂層在室溫拉伸、高溫拉伸、高溫旋彎疲勞、中高溫持久、撞擊、壓縮、彎曲、沖蝕、振動(dòng)、熱循環(huán)和超溫等典型環(huán)境下的失效形態(tài)及涂層破壞過程的宏微觀觀察，分別研究各環(huán)境下涂層失效的行為和機(jī)制，對(duì)TBCs涂層典型的微觀損傷形式進(jìn)行分類總結(jié)，研究結(jié)果有助于開展熱障涂層在復(fù)雜環(huán)境下失效行為的深入研究。

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)所用基體材料為DZ125定向凝固高溫合金，根據(jù)不同試驗(yàn)需要分別制備長(zhǎng)條板型試樣、圓柱形試樣。采用陰極電弧鍍的方法在DZ125基體上沉積NiCrAlY抗氧化粘結(jié)涂層，真空熱處理，用電子束物理氣相沉積方法在表面沉積Y2O3部分穩(wěn)定的ZrO2陶瓷層(YSZ)。

分別進(jìn)行室溫拉伸、高溫拉伸、高溫懸彎疲勞、中高溫持久、撞擊、壓縮、彎曲、沖蝕、振動(dòng)、熱循環(huán)和超溫試驗(yàn)。對(duì)試驗(yàn)后試樣進(jìn)行縱向剖切，鑲嵌后磨拋制備金相試樣，在CS 3100掃描電子顯微鏡下觀察剖面上熱障涂層的損傷情況。

2 熱障涂層典型的微觀損傷

1)陶瓷層晶簇間垂直裂紋。沿著陶瓷層柱狀晶間出現(xiàn)擴(kuò)展的微裂紋，主要沿著柱狀晶簇間分布，有時(shí)也呈交叉網(wǎng)狀，向內(nèi)一般不進(jìn)入粘結(jié)層，只有在大的拉伸、持久、彎曲載荷時(shí)才進(jìn)入粘結(jié)層和基體(圖1)。YSZ陶瓷成簇生長(zhǎng)，晶簇間存在界面，其在燒結(jié)收縮應(yīng)力作用下以及與基體變形不協(xié)調(diào)時(shí)將產(chǎn)生此類微裂紋。

圖1 陶瓷層晶簇間垂直裂紋特征Fig.1 Vertical cracks between columnar grain packets within the ceramic layer

2)陶瓷層水平臺(tái)階裂紋。陶瓷層內(nèi)出現(xiàn)的大致垂直柱狀晶生長(zhǎng)方向的微裂紋，裂紋可以出現(xiàn)在柱狀晶的任何部位，穿越晶簇時(shí)出現(xiàn)臺(tái)階(圖2)。陶瓷晶簇間相互擠壓產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)應(yīng)力、陶瓷涂層與基體之間熱膨脹系數(shù)差產(chǎn)生的熱應(yīng)力、粘結(jié)層氧化導(dǎo)致TGO層增厚產(chǎn)生的應(yīng)力等，在陶瓷層內(nèi)部產(chǎn)生的無論是拉應(yīng)力還是剪切力，均可導(dǎo)致此類裂紋產(chǎn)生。

3)陶瓷層V形崩裂。陶瓷柱狀晶受力變形相互擠壓形成的V型斷裂區(qū)(圖3)。陶瓷層隨基體材料變形，相鄰晶簇相向運(yùn)動(dòng)擠壓，內(nèi)部應(yīng)力逐漸增大導(dǎo)致柱狀晶成排斜向斷裂。

圖2 陶瓷層(YSZ)水平臺(tái)階裂紋特征Fig.2 Step-like horizontal cracks within the ceramic layer

圖3 陶瓷層V形崩裂特征Fig.3 V-type collapsing of ceramic layer

4)柱狀晶彎折。同向生長(zhǎng)的柱狀晶簇在外力作用下發(fā)生彎折、斷裂，形成的扭曲柱狀晶簇(圖4)。陶瓷晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，室溫下沒有塑性，陶瓷柱狀晶在壓縮應(yīng)力作用下，缺乏可移動(dòng)位錯(cuò)，晶體在一定應(yīng)力下瞬時(shí)斷裂，與原始方向形成一定角度彎折。

圖4 柱狀晶彎折損傷特征Fig.4 Distortion of the columnar grains

5)柱狀晶簇崩落。柱狀晶內(nèi)因粘結(jié)層平整度差導(dǎo)致的發(fā)射狀晶簇在應(yīng)力作用下發(fā)生的崩落，在涂層表面形成錐形凹坑(圖5)。受制備過程影響，柱狀晶從一微區(qū)放射狀生長(zhǎng)，形成的扇形晶簇與周圍晶簇平直界面之間相互擠壓產(chǎn)生指向涂層外的拉應(yīng)力，熱循環(huán)過程中又同方向疊加了熱應(yīng)力，同時(shí)伴隨TGO氧化層間結(jié)合力下降，最終將導(dǎo)致該扇形晶簇從TGO 界面斷裂脫落。

6)等軸晶區(qū)水平裂紋。陶瓷層與粘結(jié)層間存在陶瓷層的混亂區(qū)——等軸晶區(qū)，其內(nèi)部因內(nèi)應(yīng)力而產(chǎn)生的水平方向的微裂紋，裂紋可能穿越柱狀晶、TGO，也可能沿裂紋形成陶瓷層剝離(圖6)。此種裂紋可能出現(xiàn)在涂層制備和服役過程中，與陶瓷層燒結(jié)應(yīng)力和相變應(yīng)力產(chǎn)生的綜合應(yīng)力超出等軸晶區(qū)斷裂強(qiáng)度有關(guān)。

7)陶瓷層水平撕裂。涂層受到非均勻壓應(yīng)力作用，局部應(yīng)力超過陶瓷層剪切強(qiáng)度而出現(xiàn)的水平撕裂，裂紋張開較大(圖7)。

圖5 柱狀晶簇崩落損傷特征Fig.5 Spalling of the columnar grain packets

圖6 等軸晶區(qū)水平裂紋形貌Fig.6 Horizontal cracks in the equiaxial grain zone

圖7 陶瓷層水平撕裂特征Fig.7 Tearing morphology of the ceramic layer

陶瓷層柱狀晶受到壓應(yīng)力作用，由于其生長(zhǎng)角度必然與應(yīng)力軸存在偏斜角，應(yīng)力向下傳遞到陶瓷層等軸晶區(qū)形成水平剪切力，導(dǎo)致水平裂紋的產(chǎn)生。

8)陶瓷層微鼓分離。高溫下涂層發(fā)生內(nèi)氧化，在陶瓷層下形成合金元素的復(fù)雜氧化物，體積膨脹頂起陶瓷層，形成表面微觀鼓起，并產(chǎn)生涂層裂紋，甚至局部涂層分離剝離(圖8)。粘結(jié)層局部異常氧化是此類損傷的主要特征和必要條件，局部異常氧化可能與陶瓷晶簇間界面間隙較大、TGO層局部破壞有關(guān)。

圖8 陶瓷層微鼓分離特征Fig.8 Microsmelling induced decohesion of the ceramic layer

9)氧化層破碎。涂層經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間高溫氧化，形成TGO、粘結(jié)層內(nèi)氧化區(qū)等氧化層，氧化層在應(yīng)力作用下出現(xiàn)裂紋，裂紋交錯(cuò)導(dǎo)致氧化層破碎(圖9)。氧化層內(nèi)部應(yīng)力復(fù)雜，即包括氧化物生長(zhǎng)膨脹形成的內(nèi)應(yīng)力，也包括陶瓷層與金屬粘結(jié)層變形不協(xié)調(diào)產(chǎn)生的剪切力，還包括粘結(jié)層氧化起伏產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)應(yīng)力等，因此其裂紋形態(tài)復(fù)雜，最終導(dǎo)致氧化層碎片化。

圖9 氧化層破碎特征Fig.9 Fragmentation of the oxidation layer

10)粘結(jié)層內(nèi)氧化。涂層在高溫氧化環(huán)境下，粘結(jié)層中金屬元素Al、Ni、Cr被氧化成復(fù)雜的氧化物，粘結(jié)層后期受到TGO的阻擋，O優(yōu)先沿著TGO中裂紋缺陷進(jìn)入粘結(jié)層，導(dǎo)致其局部發(fā)生氧化，出現(xiàn)深淺不一的內(nèi)氧化區(qū)(圖10)。內(nèi)氧化會(huì)引起體積變化對(duì)涂層抗剝落性能不利，但對(duì)向基體方向延伸的應(yīng)力裂紋則有遲滯作用。

圖10 粘結(jié)層內(nèi)氧化特征Fig.10 Internal oxidation of the cohesive layer

11)粘結(jié)層垂直裂紋。粘結(jié)層在循環(huán)應(yīng)力、拉應(yīng)力等作用下，由于其自身疲勞強(qiáng)度較低，室溫彈塑性較差會(huì)產(chǎn)生垂直應(yīng)力軸的微裂紋，裂紋主要分布在粘結(jié)層內(nèi)，可能向基體和陶瓷層延伸(圖11)。此種裂紋多產(chǎn)生于室溫和低溫環(huán)境，隨著溫度升高，粘結(jié)層塑性逐漸改善，靜應(yīng)力下將不再優(yōu)先產(chǎn)生此類裂紋，但循環(huán)載荷下疲勞裂紋仍可能從此位置萌生。

圖11 粘結(jié)層垂直裂紋特征Fig.11 Vertical cracks in the cohesive layer

12)粘結(jié)層裂紋鈍化。高溫環(huán)境下，O元素沿著粘結(jié)層垂直裂紋向基體內(nèi)部擴(kuò)散，在裂紋尖端形成氧化區(qū)，裂紋尖端的應(yīng)力得以松弛，裂紋擴(kuò)展減慢或者接近停滯(圖12)。裂紋在粘結(jié)層中擴(kuò)展時(shí)由于粘結(jié)層氧化速率較慢，這種鈍化作用尚不明顯，當(dāng)裂紋到達(dá)高溫合金基體時(shí)氧化速率快速增加，裂紋尖端產(chǎn)生明顯鈍化現(xiàn)象。

13)粘結(jié)層皺曲。涂層在高溫氧化環(huán)境下，粘結(jié)層表面受到氧化作用形成復(fù)雜氧化物，氧化物比容增大，體積膨脹，表面積增加超過圓柱體表面積，導(dǎo)致粘結(jié)層表面與TGO層出現(xiàn)微小褶皺，截面上表現(xiàn)為起伏的皺曲(圖13)。這種皺曲一方面可以協(xié)調(diào)TGO生長(zhǎng)膨脹產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，對(duì)保持TGO完整有利，但另一方面微觀皺曲產(chǎn)生大量應(yīng)力集中點(diǎn)，容易產(chǎn)生層間裂紋而導(dǎo)致涂層剝落。

圖12 粘結(jié)層裂紋鈍化特征Fig.12 Crack inactivation in the cohesive layer

圖13 粘結(jié)層皺曲特征Fig.13 Cohesive layer waviness

3 結(jié)束語

EB-PVD方法制備的熱障涂層，由于陶瓷層(YSZ)、粘結(jié)層(NiCrAlY)和熱成長(zhǎng)氧化物(TGO)三層因物相結(jié)構(gòu)的差異其物理特性差異很大，并且在環(huán)境作用下還會(huì)發(fā)生物相結(jié)構(gòu)的復(fù)雜變化[5-8]。因此，在各種載荷、溫度等典型環(huán)境下往往表現(xiàn)出不同的損傷行為和損傷形式；而三層結(jié)構(gòu)的相互影響和約束又使得熱障涂層整體損傷特點(diǎn)異常復(fù)雜。只有對(duì)涂層在典型應(yīng)力、溫度等環(huán)境下的基本損傷行為有所了解，建立最基本的損傷形式類型，才能開展更為復(fù)雜的多層結(jié)構(gòu)損傷行為研究。

本研究提出的13種涂層損傷基本形式雖然只是熱障涂層眾多損傷形式的一部分，但也有利于加深對(duì)熱障涂層損傷行為和影響機(jī)制的認(rèn)識(shí)，化繁為簡(jiǎn)，對(duì)于進(jìn)一步深入開展熱障涂層損傷機(jī)制研究具有借鑒意義。