鎳基合金渦輪葉片熱障涂層研究進(jìn)展

蔡 妍 ， 趙文君 ， 劉玉琢 ， 王立哲 ， 牟仁德 ， 何利民

（1.中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095；2.航空材料先進(jìn)腐蝕與防護(hù)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095）

0 引言

鎳基高溫合金具有優(yōu)異的熱物理化學(xué)性能，被廣泛應(yīng)用于制造先進(jìn)航空渦輪發(fā)動機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)的熱端渦輪葉片。渦輪葉片作為航空發(fā)動機(jī)核心零部件，面臨著嚴(yán)苛的服役環(huán)境?，F(xiàn)有的鎳基高溫合金葉片只能夠承受約1100 ℃的溫度，期望通過改進(jìn)合金材料以大幅度提高渦輪葉片的工作溫度已經(jīng)極端困難[1-3]。實(shí)踐證明，在發(fā)動機(jī)渦輪葉片表面涂覆一層熱障涂層是解決該問題的有效途徑之一[4-5]。熱障涂層是一種隔熱材料，在降低渦輪葉片表面溫度的同時，可提高渦輪葉片抗高溫氧化腐蝕能力，延長使用壽命[6-7]。近年來，各國研究人員投入大量精力對熱障涂層相關(guān)的材料、工藝、理論等進(jìn)行了研究。目前，熱障涂層技術(shù)已經(jīng)在航空渦輪發(fā)動機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)中實(shí)現(xiàn)了大量應(yīng)用。

1 熱障涂層材料研究進(jìn)展

1.1 陶瓷面層

典型的熱障涂層結(jié)構(gòu)為雙層結(jié)構(gòu)，由表面的陶瓷面層和介于陶瓷面層與基體合金之間的金屬粘結(jié)層組成，如圖1所示[8]。

圖1 典型熱障涂層結(jié)構(gòu)[8]Fig.1 Typical thermal barrier coating system[8]

熱障涂層陶瓷面層材料通常需要具有高熔點(diǎn)、低密度、較高的熱反射率、良好的抗熱沖擊性、較低的蒸汽壓、較高的抗熱氧化及熱腐蝕能力、相對較低的熱導(dǎo)率、熱膨脹系數(shù)較高[9]等特點(diǎn)。目前應(yīng)用最廣泛的陶瓷面層材料為Y2O3（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 6%～8%）穩(wěn)定 ZrO2（YSZ）材料，但 YSZ材料在1200 ℃會發(fā)生亞穩(wěn)態(tài)四方相轉(zhuǎn)變，這種相變引起的體積膨脹會使涂層內(nèi)部積累應(yīng)力，導(dǎo)致頂部陶瓷層出現(xiàn)裂紋。裂紋的出現(xiàn)為氧氣以及腐蝕物的滲透提供了通道，使涂層過早失效[10-11]。研究[12-16]表明，通過在現(xiàn)有YSZ熱障涂層材料中摻雜 Hf、Ce、Sc、La、Y、Ta、Gd等的氧化物或它們的混合物，可以提高YSZ熱障涂層的相穩(wěn)定性、力學(xué)性能和隔熱性能，提高熱障涂層的使用溫度并改善其抗熱沖擊性能。

當(dāng)渦輪葉片使用環(huán)境溫度高于1200 ℃時，YSZ陶瓷面層將失去優(yōu)勢。以La2Zr2O7為代表的稀土鋯酸鹽類 A2B2O7（A=La、Nd、Sm、Gd、Dy、Er、Yb等，B=Ce、Zr等）型陶瓷材料具有更低的導(dǎo)熱系數(shù)，同時還具有高熔點(diǎn)、更低的燒結(jié)活性以及更好的高溫穩(wěn)定性，是最有前景的熱障涂層材料之一。但該材料熱膨脹系數(shù)較低，與金屬粘結(jié)層匹配性不好[4,17]。通過在金屬粘結(jié)層與A2B2O7陶瓷面層之間增加一層YSZ陶瓷涂層，制備具有雙層結(jié)構(gòu)的陶瓷面層，研究結(jié)果表明，該類雙層結(jié)構(gòu)陶瓷面層熱障涂層表現(xiàn)出比只有單層A2B2O7陶瓷面層熱障涂層和單層YSZ陶瓷面層熱障涂層更優(yōu)異的抗氧化性能，大大提高了涂層的使用壽命（圖2）[18-19]。

圖2 LZC、YSZ和LZC/YSZ涂層的熱振壽命和熱循環(huán)壽命[19]Fig.2 Thermal shock lifetime and thermal cycling lifetime of as-deposited LZC, YSZ and LZC/YSZ DCL coatings[19]

1.2 金屬粘結(jié)層

熱障涂層中的金屬粘結(jié)層主要作用是提升渦輪葉片基體的抗氧化和抗腐蝕性能，提高陶瓷面層與基體合金之間的結(jié)合強(qiáng)度，緩解因熱應(yīng)力導(dǎo)致的陶瓷面層與基體之間不匹配等問題[20]。目前，在鎳基高溫合金表面獲得廣泛應(yīng)用的金屬粘結(jié)層主要是 MCrAlY（M=Ni、Co、Ni+Co等）體系涂層以及Pt改性鋁化物涂層。

MCrAlY涂層是使用最多的一種金屬粘結(jié)層。在高溫服役條件下，MCrAlY粘結(jié)層中的Al、Cr等防護(hù)性元素擴(kuò)散至粘結(jié)層表面，形成致密的氧化物薄膜，進(jìn)一步減緩已經(jīng)通過陶瓷面層的有害氣體進(jìn)入金屬粘結(jié)層并向金屬基體方向擴(kuò)散，從而實(shí)現(xiàn)對鎳基渦輪葉片的防護(hù)。MCrAlY涂層中的Ni為基體元素，有利于金屬粘結(jié)層與鎳基高溫渦輪葉片基體的冶金結(jié)合；Co元素可以提高抗氧化和耐腐蝕性能；涂層中的Al是Al2O3膜中Al元素主要來源，通常Al元素含量為8%～12%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），一方面可以提供必需的鋁源，保證涂層的抗高溫氧化性能，另一方面Al元素含量較低，使涂層保持較低的脆性；Cr元素主要用來提高金屬粘結(jié)層的抗高溫氧化性能和抗硫化性能，高溫服役條件下，當(dāng)Al元素消耗完后，Cr元素可以在Al2O3膜與金屬粘結(jié)層之間形成Cr2O3，進(jìn)一步減緩有害氣體對基體合金的侵蝕，同時Cr元素還能夠促進(jìn)Al2O3膜的生成；金屬粘結(jié)層表面氧化膜過厚會降低結(jié)合層的粘性，降低熱障涂層陶瓷面層與金屬粘結(jié)層的結(jié)合，微量元素Y一般含量為0.3%～1.0%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），起到提高氧化膜與基體間結(jié)合力和改善涂層抗熱震性能的作用，而且可以改善涂層的抗熱震性能[21-23]。相關(guān)研究結(jié)果表明，在MCrAlY涂層中摻雜硬質(zhì)顆?？梢越档虯l、Cr元素的擴(kuò)散速率，減緩熱生長氧化（TGO）層的生長速率，推遲TGO中尖晶石相的出現(xiàn)，提高M(jìn)CrAlY粘結(jié)層的抗高溫氧化腐蝕能力[24]。此外，稀土元素具有化學(xué)活性高、原子半徑大等優(yōu)點(diǎn)，通過在MCrAlY中添加適量的稀土元素，可以提高Al2O3膜的粘附性[17]。

Pt改性的鋁化物涂層是另一種常用的熱障涂層金屬粘結(jié)層材料。由于涂層制備過程中的元素互擴(kuò)散，會在涂層靠近渦輪葉片基體部分形成β-(Ni,Pt)Al相。在涂層氧化過程中，NiAl相中的Al元素在反應(yīng)驅(qū)動力的作用下，擴(kuò)散到涂層外表面形成一層Al2O3膜，Pt一方面促進(jìn)Al2O3膜的形成，一方面可以減緩?fù)繉又蠥l的向外擴(kuò)散，使涂層相當(dāng)一段時間內(nèi)維持β-NiAl相，從而提高抗氧化性能[25]。

2 熱障涂層制備技術(shù)

熱障涂層在研究和工程化過程中，出現(xiàn)了諸如等離子噴涂技術(shù)[26-27]、電子束物理氣相沉積技術(shù)[4,28]、真空電弧鍍技術(shù)[29-30]和化學(xué)氣相沉積技術(shù)[24,31]等涂層制備技術(shù)。

2.1 等離子噴涂

等離子噴涂技術(shù)是熱噴涂技術(shù)的一種，其工藝過程是將處理好的渦輪葉片放置在離等離子射流發(fā)射器一定距離的靶位上，利用等離子射流將涂層材料加熱至熔融狀態(tài)，然后使熔融的涂層材料液滴高速噴濺鋪展到提前預(yù)處理的工件表面，通過持續(xù)的涂層材料噴濺鋪展過程，在渦輪葉片表面形成牢固的涂層。噴涂過程見圖3，圖4為典型的涂層截面形貌。由于涂層材料在噴涂過程中不斷受到后續(xù)噴涂層料的沖擊，等離子噴涂涂層具有一定的波浪形層狀結(jié)構(gòu)特征。大氣等離子噴涂（APS）具有涂層沉積效率高、操作簡單、成本低、涂層與基體間具有優(yōu)異的結(jié)合強(qiáng)度等特點(diǎn)。但在噴涂過程中，存在高溫環(huán)境下粉末氧化以及粉末熔融不均勻的情況，降低了涂層的使用性能。低壓等離子噴涂由于在低壓保護(hù)氣體中進(jìn)行，可以避免高溫環(huán)境下的粉末氧化，但加熱效率過低，且工件受真空室尺寸限制，不易噴涂高熔點(diǎn)材料和大尺寸工件。

圖3 APS過程示意圖[26]Fig.3 Schematic diagram of APS process[26]

圖4 典型APS制備涂層結(jié)構(gòu)[27]Fig.4 Typical microstructure of thermal barrier coating made by APS[27]

2.2 電子束物理氣相沉積

電子束物理氣相沉積（EB-PVD）技術(shù)是通過將電子束技術(shù)與物理氣相沉積技術(shù)相結(jié)合而發(fā)展起來的技術(shù)。自20世紀(jì)70年代以來，國內(nèi)外對EB-PVD設(shè)備和技術(shù)進(jìn)行了大量的研究。美國P&W公司、GERE公司先后開發(fā)出了EB-PVD熱障涂層并獲得應(yīng)用，前蘇聯(lián)的烏克蘭巴頓焊接研究所在國家資金支持下開發(fā)出了低成本的EBPVD設(shè)備，使這一技術(shù)獲得了更加廣泛的應(yīng)用[4,28]。EB-PVD設(shè)備的工作原理是在高真空環(huán)境中，電子束槍發(fā)射的高能量密度電子束借助電磁場作用高速運(yùn)動，產(chǎn)生的熱能輻照在坩堝中的陶瓷靶材上，將陶瓷靶材熔融蒸發(fā)，形成蒸發(fā)云團(tuán)包覆沉積在預(yù)熱好的渦輪葉片上，形成熱障涂層陶瓷面層。

在富氧條件下，渦輪葉片預(yù)熱過程中會在表面生長出一層氧化玻璃層TGO，是渦輪葉片服役過程中造成熱障涂層失效的原因之一。TGO層生長緩慢有益于熱障涂層壽命[32-33]。采用真空預(yù)氧化處理技術(shù)，在金屬粘結(jié)層表面預(yù)先形成一層致密的氧化鋁薄膜，減緩有害氣體和物質(zhì)向金屬粘結(jié)層內(nèi)部的擴(kuò)散，防止復(fù)合氧化物過早生成，抑制TGO層生長速率[34-36]。采用電子束物理氣相沉積設(shè)備制備的熱障涂層陶瓷面層呈柱狀晶致密結(jié)構(gòu)，生長方向垂直于渦輪葉片表面。這種結(jié)構(gòu)能提高涂層的應(yīng)變模量，為陶瓷面層和金屬基體熱膨脹系數(shù)不匹配提供了應(yīng)變余量，提高涂層的抗剝落性能[6]。圖5是典型熱障涂層結(jié)構(gòu)，包括鎳基高溫合金基體，Pt改性鋁化物粘結(jié)層和YSZ陶瓷面層，在粘結(jié)層和面層間還包括一層氧化玻璃層TGO。

圖5 典型EB-PVD方法制備的熱障涂層結(jié)構(gòu)[6]Fig.5 Typical microstructure of thermal barrier coating made by EB-PVD[6]

2.3 真空電弧鍍

真空電弧鍍技術(shù)被廣泛用于制備鎳基合金渦輪葉片熱障涂層金屬粘結(jié)層。該工藝首先將渦輪葉片等間距放置在工位上，將陰極材料放置于裝載室中間的陰極靶材基座上，然后將設(shè)備裝件室預(yù)抽至一定真空度，根據(jù)場致發(fā)射原理在真空室中自持弧光放電，在持續(xù)的弧光放電過程中，將陰極材料（由涂層材料制成）蒸發(fā)沉積在工件表面形成涂層（圖6）。當(dāng)觸發(fā)電極在陰極表面引發(fā)電弧放電時，接近陰極表面形成 105V/cm 以上強(qiáng)電場的等離子體正空間電荷鞘層，陰極位降區(qū)非常窄，當(dāng)場強(qiáng)達(dá)105～108V/cm 時發(fā)生擊穿，產(chǎn)生高電流密度的場致發(fā)射，維持弧光放電繼續(xù)進(jìn)行[29-30]。采用真空電弧鍍技術(shù)制備的典型涂層微觀結(jié)構(gòu)如圖7所示。真空電弧鍍技術(shù)制備涂層具有涂層厚度均勻、沉積效率高、涂層與基體合金具有優(yōu)異的結(jié)合性能等特點(diǎn)。

圖6 真空電弧鍍設(shè)備原理示意圖[29]與結(jié)構(gòu)圖[37]Fig.6 Design diagram and structure of vacuum arc plating equipment[29,37]

圖7 典型真空電弧鍍技術(shù)制備涂層結(jié)構(gòu)[29]Fig.7 Typical microstructure of thermal barrier coating made by AIP[29]

2.4 化學(xué)氣相沉積

由于空心葉片內(nèi)腔復(fù)雜，物理氣相沉積和等離子噴涂等方法不適應(yīng)于空心葉片內(nèi)腔防護(hù)涂層的涂覆，主要用化學(xué)氣相沉積的方法實(shí)現(xiàn)內(nèi)腔抗氧化涂層的涂覆?；瘜W(xué)氣相沉積方法（CVD）是目前制備渦輪葉片內(nèi)外腔體滲層最主流的方法，其原理是通過氣體管道定向運(yùn)輸化學(xué)反應(yīng)氣體，并嚴(yán)格控制反應(yīng)氣氛的濃度，利用氣態(tài)的先驅(qū)反應(yīng)物，通過原子、分子間化學(xué)反應(yīng)，使得氣態(tài)前驅(qū)體中的某些成分分解，而在基體合金表面形成涂層[25,38]（圖8）?；瘜W(xué)氣相沉積方法可以制備完整覆蓋渦輪葉片基體表面的滲層，且涂層厚度均勻、與渦輪葉片基體結(jié)合良好（圖9）。

圖8 CVD設(shè)備示意圖[39]Fig.8 Design diagram of CVD equipment[39]

圖9 典型CVD技術(shù)制備的涂層結(jié)構(gòu)[25]Fig.9 Typical microstructure of thermal barrier coating made by CVD[25]

3 結(jié)束語

熱障涂層在防護(hù)鎳基合金渦輪葉片方面起著重要作用，并逐步實(shí)現(xiàn)了工程化應(yīng)用。為適應(yīng)更先進(jìn)航空渦輪發(fā)動機(jī)的使用要求，熱障涂層陶瓷面層發(fā)展出了（YSZ+A2B2O7）結(jié)構(gòu)涂層。但熱障涂層金屬粘結(jié)層、陶瓷面層和鎳基高溫合金基體三者間熱膨脹系數(shù)差異過大問題仍然存在，因此，在滿足熱涂層的抗高溫氧化腐蝕防護(hù)需求的前提下，需發(fā)展低熱膨脹系數(shù)的金屬粘結(jié)層技術(shù)，以提高金屬粘結(jié)層與陶瓷面層和鎳基高溫合金基體的層間匹配性。同時，探索新一代熱障涂層材料、開發(fā)新的涂層制備技術(shù)、建立科學(xué)的熱障涂層性能評價體系和壽命預(yù)測模型等，對提高航空發(fā)動機(jī)綜合性能也具有重要意義。