帶熱障涂層單晶合金葉片模擬熱沖擊服役環(huán)境試驗研究

郭會明，劉志遠，田 偉，白云瑞，鐘 燕

(1.中國航發(fā)四川燃氣渦輪研究院，成都 610500；2.湘潭大學，湖南湘潭 411105)

1 引言

熱障涂層(TBC)是將耐高溫、低導熱、抗腐蝕的陶瓷材料以涂層的形式與基體合金相復合，以降低合金熱端部件表面溫度、提高基體合金抗高溫氧化腐蝕性能的一種防護技術(shù)[1]。航空發(fā)動機中，熱障涂層主要應(yīng)用于高壓渦輪導向葉片、渦輪工作葉片和燃燒室浮動壁瓦片等熱端部件[2]。熱障涂層的研究源于20世紀40年代末期，60年代美國航空航天局首先將熱障涂層成功應(yīng)用于火箭飛機的噴火管，70年代開始用于美國J75航空發(fā)動機的渦輪葉片[3-4]。自此，熱障涂層技術(shù)成為航空發(fā)動機發(fā)展必不可少的一項關(guān)鍵技術(shù)。

熱障涂層常常工作在高溫氧化、腐蝕和熱沖擊等十分惡劣的條件下，在使用過程中常有開裂和剝落失效發(fā)生[5-7]，成為其長期可靠應(yīng)用所面臨的最迫切需要解決的問題。陳孟成等[8]采用高溫爐進行熱障涂層熱沖擊試驗研究，結(jié)果表明陶瓷層與粘結(jié)層界面處Al、Cr、Ni 氧化物的形成過程中會產(chǎn)生體積膨脹，導致熱應(yīng)力增加，引起陶瓷層產(chǎn)生微裂紋。同時，由于冷熱溫度變化使得ZrO2發(fā)生晶體轉(zhuǎn)變，具有明顯的體積效應(yīng)，而這種體積效應(yīng)在冷熱循環(huán)條件下引起涂層開裂。張永等[9]采用燃氣加熱進行熱障涂層熱沖擊試驗研究，結(jié)果表明陶瓷層在經(jīng)過燃氣沖擊后受到循環(huán)熱應(yīng)力影響，柱狀晶間隙變大，導致涂層剝落。Chen 等[10]對熱障涂層熱沖擊過程進行的數(shù)值計算表明，熱沖擊過程中陶瓷層與粘結(jié)層界面處的應(yīng)力大且釋放速率快，裂紋更容易在界面處萌生并擴展。以上對熱障涂層的失效研究普遍采用帶熱障涂層試樣在高溫爐中加熱的方式進行沖擊試驗[11-12]，與渦輪葉片工作環(huán)境相差較大，無法評估渦輪葉片表面復雜曲面和氣膜孔等因素對涂層抗沖擊性能的影響。

本文對帶熱障涂層渦輪轉(zhuǎn)子葉片在燃氣沖擊條件下開展熱沖擊循環(huán)試驗，分析在模擬發(fā)動機工況條件下熱障涂層抗燃氣熱沖擊的能力、熱障涂層脫落的原因及影響因素。

2 材料及試驗方法

2.1 材料及樣品的制備

本試驗熱障涂層采用的基體為鎳基單晶高溫合金，涂覆對象為某發(fā)動機渦輪轉(zhuǎn)子葉片。熱障涂層采用金屬粘結(jié)底層和陶瓷層的雙層結(jié)構(gòu)。金屬粘結(jié)底層為MCrAlY 涂層，厚度為20.0 μm，名義成分為Ni-余量，Cr-20%～30%，Al-8%～10%和Y-0.3%～0.5%，采用A-1000 型真空電弧鍍設(shè)備制備，沉積后進行高溫真空擴散處理。陶瓷層為w(Y2O3)=(6～8)%部分穩(wěn)定的ZrO2，采用烏克蘭進口電子束物理氣相沉積(EB-PVD)設(shè)備進行沉積。

2.2 熱沖擊試驗方法

試驗設(shè)備為國內(nèi)自主研制的熱障涂層熱沖擊環(huán)境模擬裝置，如圖1 所示。其工作原理為通過控制與數(shù)據(jù)采集中心設(shè)置試驗參數(shù)，如試驗溫度、循環(huán)時間等，利用火焰噴槍對試驗對象進行熱沖擊。試驗方法如下：將涂覆有熱障涂層的渦輪葉片裝夾于加熱工位上，從渦輪葉片底部通入壓縮空氣進行冷卻，采用火焰噴槍以平行渦輪盤軸線方向?qū)u輪葉片前緣進行加熱；采用紅外測溫儀測量葉片前緣溫度，葉片前緣達到1 080℃后保溫60 s，將火焰噴槍移開，渦輪葉片在外界環(huán)境中冷卻80 s。反復循環(huán)操作(自動進行)至渦輪葉片表面涂層出現(xiàn)可見裂紋或脫落停止。

圖1 熱障涂層模擬熱沖擊環(huán)境裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of simulated thermal shock environment equipment with thermal barrier coating

2.3 檢測分析

對未進行熱沖擊試驗和完成熱沖擊試驗的渦輪葉片沿火焰沖擊位置的橫截面進行解剖，采用X 射線衍射(XRD)對熱沖擊前后的陶瓷層表面進行物相分析。采用附帶能譜儀(EDS)的JSM63900型掃描電子顯微鏡，對熱沖擊前后熱障涂層的形貌及成分變化進行觀察。

3 結(jié)果與分析

3.1 熱沖擊下熱障涂層表面形貌

圖2為不同熱沖擊循環(huán)下渦輪葉片前緣部位熱障涂層的表面形貌。從圖中可以看出，未進行熱沖擊試驗時，渦輪葉片前緣位置涂層呈灰白色，氣膜孔周圍涂層未出現(xiàn)翹曲和起皮。經(jīng)過42 次熱沖擊循環(huán)后，葉片前緣位置氣膜孔周圍出現(xiàn)2 處小塊的涂層脫落，其余部分涂層完好。經(jīng)過61次熱沖擊循環(huán)后，葉片前緣位置存在大塊的涂層脫落，脫落面積在11個氣膜孔范圍內(nèi)，涂層脫落附近的氣膜孔周圍存在明顯的起皮和裂紋。經(jīng)過71次熱沖擊循環(huán)后，葉片前緣位置涂層脫落面積增大，并由中心區(qū)域的11個氣膜孔擴展到22 個氣膜孔范圍。渦輪葉片前緣熱障涂層脫落絕大部分從氣膜孔邊開始，由初步的掉塊、裂紋萌生，到最后的大塊脫落。據(jù)此表明，渦輪葉片前緣位置受到火焰沖擊影響最大，最先開始涂層掉塊、脫落，氣膜孔周圍是熱障涂層開始脫落的主要部位。

圖2 不同熱沖擊次數(shù)下渦輪葉片前緣熱障涂層形貌Fig.2 Surface morphology of thermal barrier coating on blade leading edge under different thermal shock cycles

3.2 渦輪葉片熱障涂層微觀結(jié)構(gòu)分析

對未進行熱沖擊的帶熱障涂層單晶渦輪葉片進行解剖，如圖3所示。從圖中可看出，在渦輪葉片中截面的前緣、葉盆、葉背的表面，陶瓷層以平行排列的柱狀晶形式生長，厚度在70.0～90.0 μm 范圍內(nèi)。粘結(jié)層在單晶基體與陶瓷層之間，厚度在20.0～25.0 μm 范圍內(nèi)。在氣膜孔邊緣位置，由于孔邊曲率的較大變化，陶瓷層柱狀晶生長不規(guī)則，部分區(qū)域生長成了“菜花狀”?！安嘶睢敝鶢罹c周圍柱狀晶之間的間距較大，且其底部與粘結(jié)層的連接面積較小，會導致氣膜孔附近陶瓷層的結(jié)合力較差。

圖3 未進行熱沖擊試驗的渦輪葉片中截面熱障涂層形貌Fig.3 Morphology of thermal barrier coating on the middle section of turbine blade without thermal shock test

圖4為經(jīng)過71次熱沖擊循環(huán)后的帶熱障涂層單晶渦輪葉片中截面熱障涂層形貌?？梢?，與未進行熱沖擊的涂層形貌相比，經(jīng)過71 次熱沖擊循環(huán)后，葉片前緣位置的粘結(jié)層與單晶基體之間的界面變得模糊，這可能和粘結(jié)層與基體之間的互擴散有關(guān)；陶瓷層與粘結(jié)層的界面上產(chǎn)生了熱生長氧化物(TGO)，前緣位置TGO 最厚處可達2.6 μm。葉片葉盆和葉背位置的陶瓷層與粘結(jié)層之間同樣產(chǎn)生了TGO，但厚度均小于1.0 μm，且粘結(jié)層與單晶基體之間的界面仍然較清晰。葉片前緣氣膜孔附近的陶瓷層出現(xiàn)了裂紋和部分脫落。

圖4 熱沖擊試驗后的渦輪葉片中截面熱障涂層形貌Fig.4 Morphology of thermal barrier coating on the middle section of turbine blade after thermal shock test

3.3 渦輪葉片橫截面熱障涂層能譜分析

對未進行熱沖擊試驗的渦輪葉片中截面涂層進行能譜分析，結(jié)果如圖5所示。陶瓷層主要包含Zr、Y、O元素；金屬基體中含有大量的Ni元素，還有Cr、Co、Al等元素；粘結(jié)層中Al、Cr元素含量相比金屬基體較多，且Cr元素含量由金屬基體側(cè)到陶瓷層側(cè)逐漸增多，并在粘結(jié)層與陶瓷層界面附近達到最大。

圖5 未進行熱沖擊試驗的渦輪葉片中截面涂層能譜分析結(jié)果Fig.5 EDS analysis of thermal barrier coating on the middle section of turbine blade without thermal shock test

圖6和表1為經(jīng)過71次熱沖擊循環(huán)的渦輪葉片中截面涂層能譜分析結(jié)果。與未進行熱沖擊試驗的涂層能譜分析結(jié)果相比，經(jīng)過熱沖擊試驗后粘結(jié)層中的Al元素含量降低，且Al元素在陶瓷層與粘結(jié)層界面聚集。粘結(jié)層中的Al 元素一部分向陶瓷層與粘結(jié)層界面處擴散，與外界的氧反應(yīng)形成TGO；另一部分由于與基體的濃度差而產(chǎn)生自擴散，最終基體中的Al元素含量與粘結(jié)層中的Al元素含量相近，自擴散的深度約5.0 μm。

圖6 熱沖擊試驗后的渦輪葉片中截面涂層能譜分析結(jié)果Fig.6 EDS analysis of thermal barrier coating on the middle section of turbine blade after thermal shock test

4 失效分析

4.1 熱障涂層脫落與TGO生長

帶熱障涂層渦輪葉片能否安全可靠服役，在很大程度上取決于熱障涂層的壽命。研究表明，熱障涂層剝落失效的影響因素主要包括TGO的形成、陶瓷層的相變與燒結(jié)、熱膨脹系數(shù)失配、熱梯度或溫度梯度、碰撞損傷等[13]，其中TGO的形成是熱障涂層失效常見的也是最關(guān)鍵的影響因素之一。

帶熱障涂層渦輪葉片經(jīng)過71次熱沖擊循環(huán)后，葉片前緣位置可見明顯的TGO層且厚度最大，葉片其余位置的TGO 厚度較小。這主要是由于葉片前緣位置受到燃氣沖擊后，粘結(jié)層中的Al元素在高溫環(huán)境中向界面處不斷擴散，與外界的O 結(jié)合形成了以Al2O3為主的致密TGO層。加之溫度越高，Al元素的擴散和氧化物的形成速度越快，而前緣位置在熱沖擊中溫度最高，因此其TGO厚度最大。

熱障涂層的剝落與TGO 生長導致的粘結(jié)層Al元素貧化有關(guān)。一方面，由于TGO的韌性與基體相比微不足道，在陶瓷層與粘結(jié)層的界面會限制這種由于TGO生長導致的體積變化，在形成TGO時會隨之出現(xiàn)殘余壓應(yīng)力，且殘余壓應(yīng)力會在渦輪葉片冷卻到環(huán)境溫度過程中進一步增大，因此熱障涂層的剝落主要發(fā)生在循環(huán)冷卻過程中。另一方面，由于TGO 不斷生長，粘結(jié)層中的Al 元素含量顯著降低，如圖6和表1中所示。當粘結(jié)層中的Al元素貧化到不足以提供完全生成Al2O3所需的Al元素含量時，粘結(jié)層中的Ni 和Cr 元素就會發(fā)生氧化，形成鎳、鉻的氧化物，使得TGO 體積增加更快，在界面處形成很大的表面壓力[13]。隨著熱沖擊循環(huán)的不斷進行，這些應(yīng)力相互疊加，最終導致熱障涂層翹曲和剝落。

表1 熱沖擊試驗前后熱障涂層主要元素能譜分析結(jié)果(質(zhì)量分數(shù))對比 %Table 1 EDS analysis results of major elements of thermal barrier coatings before and after thermal shock test

4.2 熱障涂層裂紋與渦輪葉片前緣氣膜孔

渦輪葉片前緣直接面對高溫來流的沖擊，是熱載荷最大的區(qū)域。根據(jù)Kim等[14]對帶熱障涂層渦輪葉片氣膜孔邊溫度和應(yīng)力分布進行的有限元模擬結(jié)果(圖7)可看出，氣膜孔處高溫燃氣與冷卻空氣混合，使氣膜孔邊的溫度分布不均勻，且溫度梯度大。由于熱障涂層與渦輪葉片基體的熱膨脹系數(shù)有一定差異，在均勻升溫和降溫中尚存在一定的熱應(yīng)力，而在氣膜孔邊大的溫度梯度下熱應(yīng)力會進一步增大，這將導致熱障涂層與基體產(chǎn)生分離[14-15]，進而使熱障涂層產(chǎn)生裂紋和剝落。本文中熱障涂層裂紋主要從氣膜孔邊產(chǎn)生并擴展，主要就是因為氣膜孔邊的熱應(yīng)力較大，與模擬計算結(jié)果相吻合。另外，氣膜孔邊緣位置陶瓷層柱狀晶生長的不規(guī)則和“菜花狀”，也加速了熱沖擊作用下熱障涂層的脫落。

圖7 帶熱障涂層渦輪葉片氣膜孔邊溫度及應(yīng)力分布[14]Fig.7 Distribution of temperature and stress around cooling hole of turbine blade with thermal barrier coatings

5 結(jié)論

(1)帶熱障涂層單晶渦輪葉片經(jīng)過42 次熱沖擊循環(huán)后，葉片前緣氣膜孔附近的涂層首先出現(xiàn)脫落；經(jīng)過71 次熱沖擊循環(huán)后，葉片前緣附近涂層脫落的面積明顯增大。

(2)熱沖擊環(huán)境下葉片前緣位置熱生長氧化物厚度比其他涂層未脫落位置的厚1.0～2.0 μm。金屬基底與粘結(jié)層之間有明顯的擴散現(xiàn)象，其中Al、Cr元素從含量較高的粘結(jié)層向基底擴散，深度約5.0 μm。

(3)氣膜孔邊熱應(yīng)力較大是涂層脫落的主要原因，孔邊涂層微觀結(jié)構(gòu)不規(guī)則加速了熱障涂層的脫落掉塊。