等離子噴涂物理氣相沉積(PS-PVD)熱障涂層在高溫高速航空煤油燃?xì)鉄釠_擊下的失效機(jī)制

宋國(guó)斌 ,楊晉萍 ,董勇軍 ,崔 崇

(1.國(guó)電華北電力有限公司,北京 100070;2.國(guó)電科學(xué)技術(shù)研究院有限公司,南京 210023)

熱障涂層是一種陶瓷涂層,常作為先進(jìn)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件的熱防護(hù)涂層,具有抗高溫氧化、耐腐蝕和隔熱的作用。熱障涂層主要由金屬底層(或稱(chēng)黏結(jié)層)和陶瓷面層所組成[1-4],底層常采用PtAl滲層涂層和MCrAlY 涂層,面層常采用氧化釔穩(wěn)定氧化鋯(YSZ)涂層。熱障涂層的失效形式主要表現(xiàn)為陶瓷面層的剝落,主要原因是面層應(yīng)力容限偏低,這與其微觀結(jié)構(gòu)有關(guān),因此陶瓷面層的制備工藝至關(guān)重要[5-6]。常見(jiàn)的陶瓷面層制備方法主要有大氣等離子噴涂(APS)法和電子束物理氣相沉積(EB-PVD)法。近20 a來(lái),一種全新的熱障涂層面層制備技術(shù)——等離子噴涂物理氣相沉積(PSPVD)法被認(rèn)為是兼顧高隔熱性能和高應(yīng)力容限的涂層制備技術(shù)[7-13]。

在渦輪中,熱障涂層會(huì)受到高溫燃?xì)鉄釠_擊。國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者對(duì)熱障涂層的抗高溫燃?xì)鉄釠_擊性能進(jìn)行了考核,并對(duì)涂層的失效機(jī)制進(jìn)行了大量研究。VABEN 等[14]匯總了歐洲主要的燃?xì)鉄釠_擊考核系統(tǒng),對(duì)比了各個(gè)系統(tǒng)的功能和差異。美國(guó)NASA 使用火焰槍對(duì)熱障涂層進(jìn)行高溫燃?xì)鉄釠_擊,結(jié)果表明含砂礫的燃?xì)鉄釠_擊對(duì)涂層的破壞性較大。MEI[15]使用C8H16和C9H18作為燃料,分析了熱障涂層的燃?xì)鉄嵫h(huán)性能,結(jié)果表明氧化膜生長(zhǎng)和陶瓷面層內(nèi)應(yīng)力是造成APS熱障涂層剝落的主要原因。張永等[16]采用丙烷燃?xì)膺M(jìn)行熱沖擊試驗(yàn),對(duì)比分析了燃?xì)鉄釠_擊對(duì)PS-PVD 和APS熱障涂層的微觀結(jié)構(gòu)和隔熱性能的影響。燃?xì)鉄釠_擊除了會(huì)引起涂層的熱循環(huán)失效和熱沖蝕(加砂礫)失效外,還可能引起合金的熱腐蝕,尤其是在含有水汽、低熔點(diǎn)鹽的燃?xì)庵?熱障涂層對(duì)燃?xì)饧八鸬揭欢ǖ奈锢砀艚^作用,可以減小底層的氧化速率和腐蝕速率[17-19]。

近些年來(lái),國(guó)內(nèi)一些研究機(jī)構(gòu)搭建了一種采用航空煤油作為燃料的高溫高速燃?xì)鉄釠_擊試驗(yàn)平臺(tái),高溫高速燃?xì)鉄釠_擊環(huán)境更為復(fù)雜,涂層失效同時(shí)涉及底層氧化、熱腐蝕和熱沖蝕等多種形式。目前,關(guān)于單晶合金葉片的燃?xì)鉄釠_擊考核報(bào)道較少,涉及航空煤油燃?xì)鉄釠_擊試驗(yàn)的研究報(bào)道更少。

本工作采用PS-PVD 法,在單晶合金葉片表面制備了熱障涂層的MCrAlY 底層和YSZ 面層,使用航空煤油作為燃料,分析了熱障涂層在高溫高速航空煤油燃?xì)鉄釠_擊下的失效機(jī)制,以期為熱障涂層在航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片中的應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)

使用單晶合金葉片作為基材,其化學(xué)成分見(jiàn)表1[20]。如圖1所示:將葉片表面分為4個(gè)區(qū)域,I區(qū)為葉尖靠近葉尾的區(qū)域,II區(qū)為受燃?xì)庵苯記_擊的葉片正面,III區(qū)為未受燃?xì)庵苯記_擊的過(guò)渡區(qū),IV區(qū)為受燃?xì)庵苯記_擊的葉端區(qū);按受燃?xì)鉀_擊部位不同,將葉片橫截面分為9個(gè)區(qū)域(A～I(xiàn)),其中,A,C,E,G 區(qū)為受燃?xì)庵苯記_擊的過(guò)渡區(qū)。使用歐瑞康美科LPPS-TF 型超低壓等離子噴涂系統(tǒng),制備熱障涂層的MCrAlY 底層和YSZ 面層。Amdry997粉末作為噴涂底層原料,Metco6700粉末作為噴涂面層原料,其化學(xué)成分和組分見(jiàn)表2和表3。采用PS-PVD 法制備類(lèi)柱狀晶YSZ面層,噴涂功率為125 kW,氬氣流量為2.4 m3/h,氦氣流量為3.6 m3/h,真空度為1.5×102Pa,預(yù)熱溫度為900 ℃,送粉量為25 g/min,噴涂距離為850 mm。

表1 單晶合金葉片的化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of single crystal alloy blade

圖1 單晶合金葉片表面和橫截面示意Fig.1 Schematic diagram of outer surface (a) and cross-section (b) of single crystal alloy blade

表2 Amdry997粉末的化學(xué)成分Tab.2 Chemical composition of Amdry997 powders %

表3 Metco6700粉末的組分Tab.3 Components of Metco6700 powder %

使用超聲速火焰流對(duì)噴涂有熱障涂層的單晶合金葉片表面進(jìn)行高溫高速燃?xì)鉄釠_擊試驗(yàn),燃料為航空煤油,壓縮空氣作為助燃劑,試驗(yàn)參數(shù)主要有煤油流量30 L/h,空氣流量6 m3/min,焰流溫度1 000 ℃,沖擊角度90°,沖擊距離120 mm。采用線紅外測(cè)溫儀對(duì)葉片受沖擊面的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè),加熱溫度為(1 000±10) ℃,連續(xù)沖擊時(shí)間為100 h。

在單晶合金葉片葉尖區(qū)以下約5 mm 處截取試樣,試樣經(jīng)鑲嵌、打磨和拋光后,使用日立SU5000型掃描電鏡(SEM)和能譜儀(EDS),對(duì)試樣表面和橫截面進(jìn)行顯微組織觀察及成分分析。

2 結(jié)果與討論

由圖2可見(jiàn):單晶合金葉片外表面I區(qū)和II區(qū)的熱障涂層幾乎完全剝落,III區(qū)涂層發(fā)生部分剝落,IV 區(qū)受燃?xì)庵苯記_擊,涂層也完全剝落;I區(qū)是葉片葉尖靠近葉尾區(qū),該區(qū)域有部分YSZ面層未發(fā)生剝落,這是因?yàn)槿~片受燃?xì)鉀_擊的區(qū)域離焰流中心較遠(yuǎn);在受燃?xì)庵苯記_擊的II區(qū),YSZ 面層完全剝落,僅殘留一些剝落后的YSZ面層根部;III區(qū)和IV 區(qū)是受燃?xì)鉀_擊的過(guò)渡區(qū),涂層發(fā)生部分剝落。綜上可知,受燃?xì)庵苯記_擊的區(qū)域YSZ面層完全剝落,未受燃?xì)庵苯記_擊的區(qū)域的YSZ面層較完整。

圖2 高溫高速航空煤油燃?xì)鉀_擊后單晶合金葉片外表面不同區(qū)域熱障涂層的SEM 形貌Fig.2 SEM morphology of thermal barrier coating of different areas on outer surface of single crystal alloy blade after high temperature and high speed aviation kerosene gas thermal shock: (a) area I;(b) area II;(c) area III;(d) area IV

由圖3可見(jiàn): 對(duì)于單晶合金葉片橫截面不同區(qū)域,受燃?xì)庵苯記_擊的區(qū)域熱障涂層完全剝落,未受燃?xì)庵苯記_擊的區(qū)域熱障涂層較為完整,這與單晶合金葉片外表面的觀察結(jié)果一致。經(jīng)統(tǒng)計(jì),D,H,I區(qū)的熱障涂層較完整,A,C,E,G 區(qū)的熱障涂層發(fā)生部分剝落,B,F區(qū)的熱障涂層完全剝落。

圖3 高溫高速航空煤油燃?xì)鉄釠_擊后單晶合金葉片橫截面不同區(qū)域熱障涂層的SEM 形貌Fig.3 SEM morphology of thermal barrier coating of different areas of single crystal alloy blade cross section after high temperature and high speed aviation kerosene gas thermal shock: (a) area A;(b) area E;(c) area F;(d) area H

由圖4可見(jiàn):采用PS-PVD 法制備的YSZ面層呈類(lèi)柱狀晶(或羽毛狀)形貌;經(jīng)過(guò)100 h的高溫高速燃?xì)鉄釠_擊后,MCrAlY 底層表面形成了連續(xù)的熱增長(zhǎng)氧化膜(Thermally Grown Oxide,TGO)。由圖5(a)可見(jiàn),MCrAlY 底層較致密,與基材形成了良好的冶金結(jié)合,其表面TGO 連續(xù)且致密,部分區(qū)域存在內(nèi)氧化或不連續(xù)的現(xiàn)象。經(jīng)EDS分析可知,TGO主要成分為氧化鋁,部分區(qū)域的TGO中有尖晶石類(lèi)氧化物。有研究表明,燃?xì)饪赡軙?huì)對(duì)合金造成熱腐蝕,這會(huì)導(dǎo)致氧化膜成分發(fā)生變化,合金內(nèi)部會(huì)生成一些腐蝕產(chǎn)物[17-19]。經(jīng)EDS分析可知,MCrAlY 底層未檢測(cè)出腐蝕產(chǎn)物,受燃?xì)鉀_擊和未受燃?xì)鉀_擊的區(qū)域,其表面TGO 成分無(wú)明顯差異。由此可見(jiàn),腐蝕對(duì)單晶合金葉片表面熱障涂層造成的影響基本可以忽略。由圖5(b)可見(jiàn),高圖像襯度下,MCrAlY 底層與單晶合金葉片基體之間形成元素互擴(kuò)散區(qū),在該區(qū)域內(nèi)單晶合金原有的網(wǎng)格狀γ+γ'組織已經(jīng)消失,這種互擴(kuò)散區(qū)對(duì)YSZ面層剝落的影響幾乎可以忽略。

圖4 高溫高速航空煤油燃?xì)鉄釠_擊后單晶合金葉片橫截面熱障涂層的SEM 形貌(D 區(qū))Fig.4 SEM morphology of thermal barrier coating of single crystal alloy blade cross-section after high temperature and high speed aviation kerosene gas thermal shock (area D)

圖5 高溫高速航空煤油燃?xì)鉄釠_擊后低、高圖像襯度下MCrAlY 底層 的SEM 形貌Fig.5 SEM morphology of MCrAlY bottom layer at low (a) and high (b) image contrast after high temperature and high speed aviation kerosene gas thermal shock

燃?xì)鉄釠_擊對(duì)MCrAlY 底層表面TGO 生長(zhǎng)速率的影響較大。由圖6可見(jiàn):MCrAlY 底層表面呈凸凹起伏狀形貌,各區(qū)域MCrAlY 底層表面的粗糙度無(wú)明顯差異,其表面TGO 厚度差別較大;受燃?xì)庵苯記_擊的B,D,F區(qū)(單晶合金葉片正面)MCrAlY 底層表面的TGO 厚度明顯大于單晶合金葉片背面H,I區(qū)表面的,原因是葉片背面溫度較低,氧化速率較慢;B區(qū)和D 區(qū)均為葉片正面,B區(qū)為受燃?xì)庵苯記_擊的區(qū)域,D 區(qū)不受燃?xì)庵苯記_擊,這兩個(gè)區(qū)域MCrAlY 底層表面的TGO 厚度無(wú)明顯差異,表明在金屬涂層和基材的強(qiáng)導(dǎo)熱作用下,葉片正面各區(qū)域的溫度基本相同,氧化速率也基本相同;B區(qū)和D 區(qū)MCrAlY 底層表面的TGO 厚度相同,且D 區(qū)YSZ面層未發(fā)生明顯剝落,所以MCrAlY 底層氧化不是造成YSZ面層剝落的主要原因。

圖6 高溫高速航空煤油燃?xì)鉄釠_擊后單晶合金葉片橫截面不同區(qū)域MCrAlY 底層表面TGO 的SEM 形貌Fig.6 SEM morphology of TGO on surface of MCrAlY bottom layer in different areas of single crystal alloy blade cross section after high temperature and high speed aviation kerosene gas thermal shock

由圖7可見(jiàn):圖7(a)為YSZ面層類(lèi)柱狀晶頂部剝落前的形貌,圖7(b)為YSZ 面層類(lèi)柱狀晶頂部剝落后的形貌;在1 000 ℃燃?xì)鉄釠_擊下,熱障涂層不會(huì)發(fā)生因類(lèi)柱狀晶相互擠壓引起的剝落;IV 區(qū)YSZ面層類(lèi)柱狀晶沿根部發(fā)生斷裂,該區(qū)域受燃?xì)庵苯記_擊,YSZ 面層全部剝落。由圖8 可見(jiàn),單晶合金葉片橫截面C區(qū)為受燃?xì)鉀_擊過(guò)渡區(qū),該區(qū)域的YSZ面層發(fā)生整體或部分剝落。

圖7 高溫高速航空煤油燃?xì)鉄釠_擊后單晶合金葉片外表面YSZ面層發(fā)生部分剝落區(qū)域的SEM 形貌Fig.7 SEM morphology of YSZ surface layer partial peeling areas on outer surface of single crystal alloy blade after high temperature and high spead aviation kerosene gas thermal shock: (a) area III,low magnification;(b) area III,high magnification;(c) area IV,low magnification;(d) area IV,high magnificationz

圖8 高溫高速航空煤油燃?xì)鉄釠_擊后單晶合金葉片橫截面YSZ面層整體和部分剝落區(qū)域的SEM 形貌(C區(qū))Fig.8 SEM morphology of overall and partial peeling area of YSZ surface layer of single crystal alloy blade cross section after high temperature and high speed aviation kerosene gas thermal shock (area C)

由圖9可見(jiàn):單晶合金葉片外表面II區(qū)受燃?xì)庵苯記_擊,其表面有黑色顆粒物,顆粒物直徑最大約為0.5 mm;進(jìn)一步放大后觀察發(fā)現(xiàn),這些顆粒物由若干個(gè)微米或亞微米級(jí)細(xì)顆粒組成,考慮到在較大外界沖擊力作用下YSZ面層才會(huì)發(fā)生整體剝落,可推斷YSZ面層剝落的原因是這些黑色顆粒物進(jìn)入高溫高速燃?xì)庵?對(duì)熱障涂層產(chǎn)生沖蝕作用。

圖9 高溫高速航空煤油燃?xì)鉄釠_擊后單晶合金葉片外表面II區(qū)黑色顆粒物的SEM 形貌Fig.9 SEM morphology of black particles in area II on outer surface of single crystal alloy blade after high temperature and high speed aviation kerosene gas thermal shock: (a) low magnification;(b) high magnification

由圖10可見(jiàn),在熱沖擊試驗(yàn)過(guò)程中,外界環(huán)境中的灰塵、噴槍內(nèi)碎屑和燃油不充分燃燒形成的碳顆粒都有可能進(jìn)入高溫高速燃?xì)庵?高速撞擊熱障涂層表面,從而使YSZ 面層發(fā)生整體剝落,未受到燃?xì)庵苯記_擊的區(qū)域,熱障涂層較為完整。

圖10 高溫高速航空煤油燃?xì)鉄釠_擊下PS-PVD 制備的YSZ面層的失效機(jī)理示意Fig.10 Schematic diagram of failure mechanism of YSZ surface layer prepared by PS-PVD under high temperature and high speed aviation kerosene gas thermal shock

3 結(jié)論

(1)受高溫高速燃?xì)庵苯記_擊的區(qū)域,YSZ面層發(fā)生整體剝落,未受燃?xì)庵苯記_擊的區(qū)域,YSZ面層較完整。

(2) 單晶合金葉片正面受高溫高速燃?xì)庵苯記_擊的區(qū)域,MCrAlY 底層表面的TGO 厚度明顯大于葉片背面的,單晶合金葉片正面未受燃?xì)庵苯記_擊的區(qū)域,YSZ面層較完整,說(shuō)明MCrAlY 底層氧化不是造成YSZ面層整體剝落的主要原因。

(3) 受燃?xì)庵苯記_擊的區(qū)域,YSZ面層從根部發(fā)生斷裂,這是外界環(huán)境中的顆粒物進(jìn)入高溫高速燃?xì)庵?對(duì)熱障涂層產(chǎn)生沖蝕造成的。