涂覆鋁膜CoCrAlY的HCPEB改性過程溫度場模擬

王志平，沈 月，韓志勇

（中國民航大學(xué)天津市民用航空器適航與維修重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300300）

熱障涂層因其良好的隔熱、耐高溫以及抗氧化腐蝕等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫部件。因此，既往研究均較為關(guān)注涂層的使用壽命以及失效機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn)，熱循環(huán)過程中，粘結(jié)層結(jié)合處會生成熱生長氧化物(TGO,thermally growth oxide)，熱障涂層的失效一般發(fā)生在陶瓷層與粘結(jié)層的結(jié)合處[1]。氧化初期，TGO 的主要成份為α-Al2O3，穩(wěn)定生長的α-Al2O3結(jié)構(gòu)致密，可以很好地阻隔氧與粘結(jié)層的接觸，延緩粘結(jié)層的氧化腐蝕。但隨著氧化反應(yīng)的進(jìn)行，出現(xiàn)貧鋁帶，粘結(jié)層中的Ni、Co 等原子開始被氧化，這類氧化物結(jié)構(gòu)疏松且脆性很大，使得氧化層容易產(chǎn)生裂紋并誘發(fā)界面斷裂。因而，如何在陶瓷層與結(jié)合層間快速形成一層完整的保護(hù)性氧化膜是提高熱障涂層壽命的一個(gè)緊迫性問題。

在強(qiáng)流脈沖電子束(HCPEB, high-current pulsed electron beam)相關(guān)研究中，Rotshtein 等[2]研究了脈沖電子束對316 不銹鋼表面銅元素的合金化過程，在單次輻照、電子束能量密度為4.3～6.3 J/cm2的情況下，表面納米硬化層和抗腐蝕層厚度為0.5～1 μm，相同電子束能量密度下，輻照次數(shù)增至5 次時(shí)，銅膜熔化并在基體表面形成一層含銅量為20%的重熔層。Lamperti 等[3]利用強(qiáng)流脈沖電子束輻照Cu 和Cr 的混合粉末，通過改變電子束能量密度和脈沖時(shí)間來獲得具有特殊性能的非平衡合金。Rotshtein 等[4]研究了在低能強(qiáng)流脈沖電子束轟擊下，不同基體鋁元素合金化的表面改性狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)采用軟質(zhì)的合金化材料可以抑制表面裂紋的出現(xiàn)。安健等[5]在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上對電子束合金化Al-Si-Pb 的溫度場和應(yīng)力場進(jìn)行了模擬，并通過對比模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，給出了表面熔坑的形成機(jī)制。秦穎等[6]通過建立三維溫度場模型，對316L 不銹鋼表面Ti 和Al 的合金化過程進(jìn)行了模擬，研究了不同涂層厚度和電子束能量密度對合金化效果的影響。許洪斌等[7]對40Cr 鋼脈沖電子束表面重熔時(shí)的溫度場和應(yīng)力場進(jìn)行了模擬，研究了材料表面的熔化時(shí)間以及表面溫度。以上研究通過實(shí)驗(yàn)或建模方法證實(shí)了電子束密度、脈沖時(shí)間等工藝參數(shù)對合金化效果的影響?？紤]強(qiáng)流脈沖電子束改性是從高位瞬態(tài)凝固的過程，而這一過程無法通過實(shí)驗(yàn)獲得，同時(shí)改性過程中的溫度變化對涂層性能起著重要作用，因而要得到優(yōu)化的工藝參數(shù)組合，可采用有限元分析(FEM,finite element analysis) 的方法來模擬強(qiáng)流脈沖電子束改性過程中的溫度場，探究脈沖電子束改性過程中的最優(yōu)參數(shù)，并為實(shí)驗(yàn)提供理論依據(jù)。

以CoCrAlY 作為基體，Al 作為合金化元素，建立強(qiáng)流脈沖電子束表面合金化的二維溫度場模型，模擬CoCrAlY 表面Al 元素合金化的溫度場分布，利用模擬結(jié)果尋找電子束能量密度和脈沖時(shí)間的最佳工藝參數(shù)組合。

1 溫度場數(shù)理模型和有限元模型的建立

1.1 溫度場數(shù)理模型

電子束表面合金化是一個(gè)復(fù)雜的改性過程，涉及熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射等傳熱方式且伴隨著熔化和氣化等相變。因而在建模初始階段，首先對電子束表面合金化涉及的數(shù)理模型進(jìn)行簡化。在符合實(shí)驗(yàn)條件的前提下，作如下假設(shè)：

1）試樣直徑遠(yuǎn)小于電子束束斑直徑，電子束能量在試樣表面均勻分布，且基體厚度遠(yuǎn)大于電子束的射程；

2）基體與涂層材料各向同性，且僅為溫度的函數(shù)；

3）由于電子束輻照在真空環(huán)境下進(jìn)行，故不考慮樣品表面的對流換熱情況；

4）電子束轟擊時(shí)能量全部集中在表面，不考慮電子束在樣品表層的能量沉積；

5）忽略材料熔化過程中的對流情況。

根據(jù)熱傳導(dǎo)理論，可將電子束輻照過程中轟擊產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為傳熱過程中一個(gè)端面的外加熱源。該模型可用二維非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)方程來描述[8-9]。電子束作用面以及鋁膜與粘結(jié)層界面處的邊界條件設(shè)置如下:

其中：x 為試樣深度；t 為傳熱時(shí)間；Qflux為電子束能量密度；T0為環(huán)境溫度；σ 為黑體輻射常數(shù)；ε 為物體的發(fā)射率；x0為鋁膜厚度；由于涂層和基體界面處的物理參數(shù)不同，鋁膜和粘結(jié)層接觸面兩側(cè)的溫度和熱傳導(dǎo)系數(shù)分別設(shè)為T1、T2、K1、K2。

1.2 有限元模型

利用ABAQUS 6.10 軟件建立三維立方體有限元模型，其橫截面尺寸為200 μm×200 μm，粘結(jié)層的厚度為200 μm，鋁膜厚度為2 μm。采用三維二十節(jié)點(diǎn)二次傳熱六面體單元(DC3D20)對鋁膜和粘結(jié)層進(jìn)行網(wǎng)格劃分，通過前期實(shí)驗(yàn)和文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，電子束輻照過程中，溫度的影響深度為幾十微米[9]，故對模型表層再進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)分以增加計(jì)算精度，如圖1 所示。

圖1 有限元模型Fig.1 Finite element model

2 計(jì)算結(jié)果與分析

在材料模塊分別定義鋁膜和粘結(jié)層的密度、熱傳導(dǎo)系數(shù)及比熱容，分析步選擇heattransfer，采用DC3D20進(jìn)行網(wǎng)格劃分。圖2～圖4 中的箭頭表示鋁膜或鋁膜及粘結(jié)層的熔化深度，左側(cè)縱坐標(biāo)表示總體傳熱時(shí)間，包括輻照時(shí)長和輻照后傳熱至20 μs 的時(shí)間。

圖2 能量密度2 J/cm2 時(shí)，不同脈沖時(shí)間下的Al/CoCrAlY 等溫線圖Fig.2 Isotherm diagram of Al/CoCrAlY at different lengths of pulse time when energy density is 2 J/cm2

電子束能量密度為2 J/cm2，脈沖時(shí)間分別為1.5 μs和6 μs 時(shí)，CoCrAlY 表面Al 元素合金化的溫度場等溫線分布，如圖2 所示。由圖2 可知，當(dāng)脈沖時(shí)間為1.5 μs 時(shí)，由于能量密度較低，鋁膜熔化只在淺表層發(fā)生。將脈沖時(shí)間延長至6 μs，此時(shí)鋁膜雖已完全熔化，但由于界面處溫度未能達(dá)到CoCrAlY 的熔點(diǎn)（1 728 K），粘結(jié)層基體的狀態(tài)不發(fā)生變化。

電子束能量密度為4 J/cm2，脈沖時(shí)間分別為0.8 μs、1.5 μs 和6 μs 的溫度場等溫線分布，如圖3 所示。觀察圖3 發(fā)現(xiàn)，當(dāng)脈沖時(shí)間分別為0.8 μs 和1.5 μs時(shí)，對應(yīng)的鋁膜熔化深度分別為1.6 μm 和2 μm，盡管這兩種情況鋁膜都有一定深度的熔化，但由于界面處溫度均未達(dá)到粘結(jié)層熔點(diǎn)，合金化效果并不理想。當(dāng)脈沖時(shí)間增加到6 μs 時(shí)，鋁膜熔化深度達(dá)到3 μm，此時(shí)粘結(jié)層基體表層已發(fā)生熔化，熔化深度為1 μm。

圖3 能量密度4 J/cm2 時(shí)，不同脈沖時(shí)間下的Al/CoCrAlY 等溫線圖Fig.3 Isotherm diagram of Al/CoCrAlY at different lengths of pulse time when energy density is 4 J/cm2

電子束能量密度為6 J/cm2，脈沖時(shí)間分別為0.8 μs、1.5 μs 和6 μs 的溫度場等溫線分布，如圖4 所示?？梢钥闯霎?dāng)脈沖時(shí)間為0.8 μs 時(shí)，鋁膜熔化深度為2 μm，此時(shí)鋁膜已經(jīng)完全熔化，但界面處溫度并未達(dá)到粘結(jié)層熔點(diǎn)，合金化效果不理想；延長脈沖時(shí)間至1.5 μs，粘結(jié)層基體表層已發(fā)生熔化，熔化深度為0.2 μm；而脈沖時(shí)間增至6 μs 時(shí)，粘結(jié)層基體熔化深度達(dá)到了3.4 μm。

圖4 能量密度6 J/cm2 時(shí)，不同脈沖時(shí)間下的Al/CoCrAlY 等溫線圖Fig.4 Isotherm diagram of Al/CoCrAlY at different lengths of pulse time when energy density is 6 J/cm2

圖5 為圖4（b）對應(yīng)試樣的溫度及溫度變化率隨深度的分布曲線。在1.5 μs 時(shí)，鋁膜表面達(dá)到的最高溫度為2 062 K，鋁膜內(nèi)溫度梯度最高達(dá)到108 K/m 數(shù)量級，但由于鋁的導(dǎo)熱率遠(yuǎn)大于粘結(jié)層導(dǎo)熱率，其導(dǎo)熱性遠(yuǎn)高于粘結(jié)層，2 μm 厚度內(nèi)鋁膜溫差很小，而2 μm厚度內(nèi)的粘結(jié)層溫差則超過了1 000 K。

圖5 能量密度6 J/cm2，脈沖時(shí)間1.5 μs 時(shí)，試樣內(nèi)溫度及溫度變化率隨深度的分布模擬Fig.5 Inner-sample temperature and its changing rate distribution simulation when energy density is 6 J/cm2 and pulse time is 1.5 μs

圖4（b）對應(yīng)試樣內(nèi)不同深度處溫度及其溫度變化率隨時(shí)間的分布如圖6 所示?？梢钥闯?，隨著選取點(diǎn)深度的增加，在輻照的整個(gè)過程中試樣表面所達(dá)到的最高溫度逐漸減小。當(dāng)深度增加到15 μm 時(shí)，電子束輻照過程中，試樣幾乎始終保持初始溫度。輻照結(jié)束后，由于表層溫度遠(yuǎn)高于內(nèi)部溫度，根據(jù)熱力學(xué)第二定律，熱量將從溫度高的地方傳遞到溫度低的地方，所以試樣內(nèi)部的溫度繼續(xù)升高。輻照前后，不同深度處溫度變化速率的趨勢也有很大不同。輻照伊始，材料的升溫速率隨深度的增加逐漸減小，鋁膜表面升降溫速率分別達(dá)到了109K/s 和108～109K/s；而在深度為15 μm 處，在整個(gè)選取的時(shí)間范圍內(nèi)，其溫度變化速率均大于0，即該深度處一直處于升溫狀態(tài)。

圖6 試樣內(nèi)不同深度處的溫度及其溫度變化率Fig.6 Inner-sample temperature and its changing rate simulation at different depths

3 結(jié)語

1）脈沖時(shí)間越長，電子束能量密度越大，表面溫度越高，熱影響區(qū)范圍越大。

2）鋁膜厚度為2 μm 時(shí)，脈沖時(shí)間與電子束能量密度的最佳組合為1.5 μs，6 J/cm2。電子束輻照開始時(shí)，鋁膜表面以109K/s 的升溫速率升溫，在1.5 μs 時(shí)，鋁膜和粘結(jié)層基體在2.2 μm 深度范圍內(nèi)發(fā)生熔化現(xiàn)象。之后鋁膜和粘結(jié)層基體經(jīng)歷108～109K/s 的快速冷卻過程，完成合金化過程。

3）根據(jù)脈沖時(shí)間對合金化效果的影響推測，當(dāng)能量密度為4 J/cm2時(shí)，適當(dāng)延長脈沖時(shí)間使其位于1.5～6 μs（1.5 μs ＜t ＜6 μs），也可達(dá)到較好的表面改性效果。

4）隨著試樣深度的增加，溫度變化會有滯后，溫度變化速率也會減小。在電子束停止輻照后，試樣表層溫度迅速下降，隨著深度的增加，溫度的下降速率逐漸降低，甚至還會保持一段時(shí)間的升溫后再降溫。