熱障涂層性能檢測技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

馬德隆 萬德田 邱巖 杜大艷

1 前言

提升渦輪進(jìn)口溫度是提升航空發(fā)動機(jī)推重比的重要途徑。國內(nèi)外研究表明，在維持其他條件不變的前提下，渦輪進(jìn)口溫度每升高50℃，可提升航空發(fā)動機(jī)推力7%～8%。隨著技術(shù)不斷發(fā)展，當(dāng)前最先進(jìn)的渦扇航空發(fā)動機(jī)的渦輪進(jìn)口溫度已經(jīng)超過1 900K，該溫度遠(yuǎn)超常用高溫合金材料的熔點。因此，如何提升航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)熱端部件的耐高溫性能成為航空發(fā)動機(jī)發(fā)展的焦點問題之一。從20世紀(jì)50年代至今，國內(nèi)外眾多科研工作者針對這一問題開展了大量研究，最終形成了提高航空發(fā)動機(jī)渦輪葉片耐久性與可靠性的3大技術(shù)：高溫合金等耐高溫結(jié)構(gòu)材料技術(shù)、高效氣冷技術(shù)以及熱障涂層技術(shù)。

熱障涂層（Thermal Barrier Coatings，TBCs）是利用陶瓷材料低熱導(dǎo)、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)越性能，將其以噴涂、沉積等多種方式附著于基體表面，從而提高基體材料的服役性能。發(fā)展熱障涂層技術(shù)，對縮小我國航空發(fā)動機(jī)與世界先進(jìn)水平間的技術(shù)差距、實現(xiàn)跨代發(fā)展具有舉足輕重的戰(zhàn)略意義，同時對能源、航空、航天等領(lǐng)域也都有重大促進(jìn)作用。

2 熱障涂層性能檢測技術(shù)研究意義

對于熱障涂層而言，涂層表面以及與基體界面性能的好壞直接決定構(gòu)件整體性能的優(yōu)劣，準(zhǔn)確地涂層性能評價對于涂層構(gòu)件服役安全可靠性具有重要的意義。國內(nèi)外曾多次報道，因航空發(fā)動機(jī)破壞而導(dǎo)致飛行器故障甚至墜毀的事故。據(jù)相關(guān)機(jī)構(gòu)報道，在我國發(fā)生的航空發(fā)動機(jī)事故中，80%以上都與發(fā)動機(jī)葉片失效緊密相關(guān)，而熱障涂層的表面與界面失效破壞正是航空發(fā)動機(jī)渦輪葉片的主要破壞模式之一。因此，準(zhǔn)確評價熱障涂層表面與界面性能對于保障航空發(fā)動機(jī)的服役安全可靠性具有十分重要的意義。

我國重視熱障涂層的研究和發(fā)展，近幾十年來在涂層制備工藝設(shè)計研究方面取得了顯著的成果，中國科學(xué)院沈陽金屬研究所、北京航空航天大學(xué)、武漢理工大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等國內(nèi)重點高校和科研院所等均在各代熱障涂層工藝設(shè)計方面取得了突破，逐漸縮短了與國外的差距。然而，無論國內(nèi)還是國外，熱障涂層性能測試技術(shù)的發(fā)展都遠(yuǎn)落后于涂層制備技術(shù)的發(fā)展。直到21世紀(jì)初，熱障涂層的大部分的性能測試仍無標(biāo)準(zhǔn)方法可依。造成熱障涂層性能一直以來難以檢測的原因主要為：①涂層通常難以從基體上有效剝離進(jìn)行測試；②即使剝離下來，其厚度也無法加工為標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行各種物理性能測試。為解決熱障涂層等陶瓷涂層的性能測試的國際性難題，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織組建了陶瓷涂層工作組，面向全世界的高校、科研院所等機(jī)構(gòu)征求涂層性能測試方法。

3 國內(nèi)外常規(guī)熱障涂層性能檢測技術(shù)

目前，國內(nèi)外常規(guī)的熱障涂層性能測試評價方式主要包括：

3.1 將涂層從基體上剝離，單獨進(jìn)行測試

由于熱障涂層與合金基體構(gòu)成的復(fù)合體材料無法直接測試，部分國內(nèi)外研究者通過將涂層噴涂厚度增加，噴涂在石墨基體或其他易進(jìn)行分離的基體上的形式，將涂層材料分離為獨立的塊體材料進(jìn)行測試。

北京礦冶科技集團(tuán)有限公司的高麗華等利用PS—PVD的方式在石墨基體上制備8YSZ熱障涂層，采用機(jī)械加工設(shè)備將石墨基體磨去，測試分離后獨立涂層的熱擴(kuò)散系數(shù)；意大利羅馬卡薩西亞研究中心的Girolamo等采用機(jī)械加工的方式將鋯酸鑭（La2Zr2O7）涂層與基體進(jìn)行分離，并采用四點彎曲法測試了從1 100～1 500℃的涂層彈性模量；羅馬大學(xué)的Pulci等將硼化鋯（ZrB2）-碳化硅（SiC）—硅化鉬（MoSi2）涂層沉積在石墨基體上，采用電火花侵蝕的方式將基體剝離后，測試了500℃、1 000℃、1 500℃條件下涂層的彈性模量。

然而，無論何種剝離涂層的手段都會對涂層本身造成一定的損傷，同時這種方式忽略了基體對涂層性能的影響，使得測得的涂層性能與真實性能之間存在較大的誤差。

3.2 采用局部性能來表征涂層整體性能

由于很難實現(xiàn)對涂層整體宏觀性能的直接測試，部分研究利用材料表面性能測試技術(shù)，例如納米壓痕法等，通過分析涂層表面的局部性能來表征涂層的整體性能。

印度K.S.Rangasamy技術(shù)學(xué)院的Rajendran等人采用納米壓痕測試技術(shù)，對800～1000℃條件下三氧化二鋁（Al2O3）二氧化鋯（ZrO2）/二氧化硅（SiO2）涂層的彈性模量進(jìn)行測試；湘潭大學(xué)的毛衛(wèi)國等人運用納米壓痕法對熱障涂層的彈性模量和硬度隨溫度變化的演變規(guī)律進(jìn)行了研究；北京航空航天大學(xué)的齊紅宇等應(yīng)用云紋干涉法與鉆孔法結(jié)合的光測力學(xué)實驗方法，研究了等離子熱障涂層基體材料鎳基高溫合金的殘余應(yīng)力。

采用這種方式測得的局部性能可以一定程度上表征均質(zhì)涂層的整體性能，但對于典型非均質(zhì)的熱障涂層，由于缺陷分布密集，各個局部的性能偏差很大，無法適用。

3.3 利用超聲波、X射線衍射等微觀測試方法測試涂層性能

通過超聲波、X射線衍射等微觀測試方法，觀察涂層材料微觀結(jié)構(gòu)的變化來表征涂層的相關(guān)性能。

大連理工大學(xué)的顧曉春等人利用超聲波法測試3種不同工藝制備的7YSZ涂層的聲壓反射系數(shù)，進(jìn)而計算出涂層的彈性模量；美國西北大學(xué)Jordan等采用X射線衍射法測量了ZrO2-8%Y2O3熱障涂層中的應(yīng)力分布；北京航空制造工程研究所的鄒世坤等采用X射線衍射技術(shù)測試了激光沖擊處理和激光熱處理后的ZrO2涂層殘余應(yīng)力分布。

與局部性能測試技術(shù)類似，采用微觀測試技術(shù)僅能評價材料表面微區(qū)的性能，并不能揭示涂層整體的性能，不同位置測試材料性能離散性分部大。

3.4 利用復(fù)合體性能變化來反映涂層的性能

通過對涂層/基體復(fù)合體的性能進(jìn)行測試，建立復(fù)合體性能隨涂層工藝變化的規(guī)律，以此反映涂層性能的優(yōu)劣。

國防科技大學(xué)的Luo等在1 300℃條件下對3Al2O3·2二氧化硅（SiO2）+硅酸鉺（Er2SiO5）+氧化鉺（Er2O3）涂層/（碳化硅纖維增強(qiáng)碳化硅）SiC—SiC基體進(jìn)行拉伸試驗，測得復(fù)合體的應(yīng)力—應(yīng)變曲線，來評價涂層高溫彈性模量的變化規(guī)律；英國劍橋大學(xué)的Tsui等通過測試復(fù)合體的曲率來監(jiān)測涂層噴涂過程中涂層內(nèi)部殘余應(yīng)力的變化規(guī)律。這種方式通過測試涂層/基體復(fù)合體的整體力學(xué)性能一定程度上可以反映涂層對基體性能的影響，但并未實現(xiàn)單一涂層的力學(xué)性能的表征。

4 3步法測試技術(shù)及國際標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用

針對上述熱障涂層性能測試評價方法存在的不足之處，中國建材檢驗認(rèn)證集團(tuán)股份有限公司（簡稱“國檢集團(tuán)”）首席科學(xué)家包亦望教授經(jīng)過多年潛心研究，在國際上率先提出“三步法”評價技術(shù)。三步法測試技術(shù)是脫胎于包教授提出的相對法理論。相對法是一種間接的測試方法，其核心是建立材料已知易得的可測參數(shù)與未知難得的難測參數(shù)間的解析關(guān)系，從而可通過可測參數(shù)來推導(dǎo)難測參數(shù)。該方法尤其適用于一些無法采用常規(guī)測試技術(shù)直接測量的材料性能參數(shù)。

對于陶瓷涂層的物理性能測試，涂層性能因無法直接測試，屬于難測參數(shù)；而單質(zhì)基體或含有涂層的復(fù)合體試樣，均可以利用傳統(tǒng)塊體樣品測得其物理性能，屬于可測參數(shù)。因此通過建立涂層與基體和復(fù)合體三者間物理性能參數(shù)的解析關(guān)系，即可通過測試基體與復(fù)合體性能，計算出涂層的性能。該方法測試步驟可簡化為第1步，測試基體性能；第2步，測試復(fù)合體性能；第3步，計算涂層性能。因此這種方法被叫做“三步法”。

采用這一研究思路，結(jié)合三點彎曲法實現(xiàn)了涂層常溫彈性模量與強(qiáng)度的測試；結(jié)合脈沖激勵法實現(xiàn)了涂層高溫彈性模量的測試；結(jié)合相對缺口環(huán)法實現(xiàn)了涂層超高溫彈性模量的測試；結(jié)合頂桿法實現(xiàn)了涂層熱膨脹系數(shù)的測試；結(jié)合阿基米德排水法實現(xiàn)了涂層密度的測試；結(jié)合一維穩(wěn)定傳熱模型實現(xiàn)了涂層導(dǎo)熱系數(shù)的測試；結(jié)合十字交叉法實現(xiàn)了涂層界面結(jié)合強(qiáng)度的測試；結(jié)合涂層制備工藝機(jī)理將涂層分為同溫涂層與異溫涂層，并分別建立計算模型實現(xiàn)了涂層殘余應(yīng)力的測試。

熱障涂層性能評價可以參照表1中的公式。

另外，基于上述技術(shù)，設(shè)計并研制了涂層殘余應(yīng)力測試儀及配套軟件，該項技術(shù)通過國際專利合作協(xié)議（PCT），獲得美國專利授權(quán)。在國際專利的引領(lǐng)下，與國際知名的熱分析儀器制造商德國林賽斯公司簽署戰(zhàn)略合作協(xié)議，合作開展涂層熱膨脹系數(shù)儀與殘余應(yīng)力測試儀器的研制與銷售，實現(xiàn)創(chuàng)新技術(shù)的國際化應(yīng)用。

三步法技術(shù)克服了一些常規(guī)技術(shù)的缺點，實現(xiàn)了過去經(jīng)常遇到但又無法解決的技術(shù)難題。在涂層熱物理性能評價領(lǐng)域中位于領(lǐng)先地位，填補(bǔ)了國內(nèi)外的空白，系列技術(shù)成功轉(zhuǎn)化為5項國際標(biāo)準(zhǔn)（表2），有效地提高了我國的科技競爭力和市場競爭力。三步法測試涂層系列技術(shù)成果經(jīng)中國建筑材料聯(lián)合會科技成果鑒定，得出以下結(jié)論：相對法測試技術(shù)解決了陶瓷涂層熱物理性能測試的系列國際性難題。成果創(chuàng)新性突出，填補(bǔ)了國內(nèi)外空白，達(dá)到了國際領(lǐng)先水平。

5 熱障涂層檢測技術(shù)下一步發(fā)展趨勢

目前，基于相對法測試技術(shù)已實現(xiàn)了絕大部分熱障涂層本征性能以及部分服役性能的準(zhǔn)確測試。隨著熱障涂層服役溫度進(jìn)一步的升高以及對涂層實際服役性能變化規(guī)律需求的進(jìn)一步提高，在未來熱障涂層檢測技術(shù)的發(fā)展中將會更加注重兩方面的研究內(nèi)容：第一，對熱障涂層更苛刻服役條件下性能準(zhǔn)確的準(zhǔn)確評價，包括熱障涂層超高溫環(huán)境性能測試，熱障涂層高溫水氧腐蝕環(huán)境下性能測試等；第二，熱障涂層實際服役性能的測試評價，結(jié)合熱障涂層的實際服役環(huán)境進(jìn)行更深入研究，包括熱障涂層抗熱震性能評價方法；熱障涂層壽命預(yù)測技術(shù)研究；熱障涂層構(gòu)件服役過程內(nèi)應(yīng)力變化規(guī)律等。