EB-PVD在热障涂层中的失效研究分析

电子束物理气相沉积（EB-PVD）是航空发动机涡轮叶片热障涂层（TBCs）的先进制备技术。随着EB-PVD TBCs的深入研究,TBCs失效也引起了众多研究者的重视。对EB-PVD TBCs的TGO（热生长氧化物）生长失效和CMAS（钙、镁、铝和硅酸盐）高温侵蚀失效两种主要机制进行了总结,分析了其失效机制和影响因素,以期为EB-PVD在TBCs中的应用提供理论基础。     

热障涂层TGO界面应力分布及裂纹扩展行为的研究进展

热障涂层以其优异的抗氧化? 隔热? 耐腐蚀性而广泛应用于热端部件表面.在超过1000℃高温的服役环境下,外界的氧元素通过陶瓷层扩散到粘接层界面,与其中的金属元素发生氧化反应生成一层热生长高温氧化物(TGO)? 随着服役时间的增加,TGO不断生长,TGO界面产生较大的热应力,导致裂纹的萌生与扩展,使得涂层大面积剥落,因此...     

热障涂层界面形貌尺寸与残余应力的关系

利用ANSYS有限元分析软件对热障涂层中的残余应力进行了模拟分析，得出了界面形貌尺寸与残余应力之间的关系。模拟结果表明，热障涂层中的残余应力是界面形貌尺寸的函数。这些结论为提高涂层界面结合强度的热障涂层界面造形提供了理论支持，也为热障涂层界面的优化提供了指导意见。     

真实TGO界面形貌对热障涂层界面应力的影响

采用MSC.MARC有限元分析软件,以真实服役的某重型燃气轮机透平第一级动叶片表面热障涂层为研究对象,研究真实TGO界面形貌对热障涂层界面应力的影响。结果表明:在TC/TGO界面的TC层中,法向应力σ₂₂分布中的拉应力位于波谷区域,压应力位于波峰区域,而在BC/TGO界面的BC层中,σ₂₂应力分布与TC层相反;TC层与BC层的剪切应力σ₁₂分布规律相同,均是波谷左侧的应力方向为负,波谷右侧的应力方向为正。TGO界面的波峰和波谷处的法向应力σ₂₂值随TGO厚度的增大而增加;当TGO厚度不变时,BC/TGO界面振幅增大,TGO内和BC内的法向应力σ₂₂值也随之增大。     

CMAS对热障涂层界面裂纹和残余应力的影响

随着航空发动机涡轮叶片工作温度的提升,使得一种主要由CaO,MgO,Al₂O₃和SiO₂组成的玻璃态物质(CMAS)对热障涂层的危害越来越严重,从而对热障涂层的性能和耐久性有了更高的要求。本文以电子束物理气相沉积热障涂层为研究对象,利用有限元方法研究了CMAS的渗入对界面裂纹扩展及CMAS对陶瓷层(TC)内部残余应力的影响规律。采用波长固定、振幅变化的正弦曲线表示不同粗糙度的涂层界面,同时考虑了CMAS的弹性模量变化的影响及不同界面形貌与CMAS之间的相互作用。结果表明：CMAS弹性模量的增加对界面裂纹具有抑制作用,并且TGO幅值和厚度越小,抑制作用越明显。CMAS弹性模量对TC层最大残余应力S₂₂的影响存在临界点,在临界点之前,CMAS弹性模量的变化对TC层最大残余应力的影响较大,随着CMAS弹性模量的增加,TC层最大残余应力大幅度减小;在临界点之后,TC层最大残余应力基本不受CMAS弹性模量变化的影响。这些结果对电子束物理气相沉积喷涂的热障涂层失效机理的研究具有重要意义,可以为热障涂层界面的优化提供指导。     

热障涂层界面微结构尺寸与残余应力关系的数值模拟

利用有限元方法,对热障涂层热循环降温过程中产生的残余应力进行了数值模拟。以无尖点正弦波形界面形貌为对象,研究了其微结构尺寸（包括微坑间距,宽度和深度）对平行和垂直于界面的残余应力最大值SMX和SMY的影响规律。结果表明,在本文所给定的尺度范围内,微结构尺寸为SMX和SMY均有影响,但对SMY的影响要更为显著;在微坑深度,宽度和间距等3个微结构尺寸参数中,微坑深度对界面残余应力的影响最大。     

热障涂层高温氧化生长应力预测

基于Clark氧化生长应变率理论和Wagner氧化模型给出了涂层高温生长应力公式,计算预测了热障涂层中氧化生长应力随时间的演化规律;利用光致发光分析技术对氧化层的应力进行了实验测试,并对两种结果进行了比较和分析。结果表明,本文给出的热障涂层高温氧化生长应力模型预测与实验结果符合     

界面粗糙度对双层热障涂层残余应力影响的数值模拟

运用ANSYS有限元分析软件模拟了双层热障涂层（ZrO2/NiCrAIY）在制备过程中的温度场，在此基础上，进行热-应力耦合计算分析试样的残余应力，重点计算了不同基体表面粗糙度条件下的残余应力分布。结果表明：试样的温度分布呈不均匀变化，与实际喷涂过程相近；双层热障涂层的最大残余应力集中在粗糙界面的凸起与凹坑部分；涂层内的等效残余应力随表面粗糙度的增大整体呈增大趋势，在Rα=30μm附近时，等效残余应力较小，同时压应力较小。     

热障涂层陶瓷层/TGO界面开裂行为的有限元模拟

目的更好地理解热障涂层在热循环条件下的失效行为。方法采用有限元方法引入了内聚力模型,研究热障涂层在多次热循环条件下的界面开裂行为,并且考虑了陶瓷层厚度和粘结层厚度对界面开裂行为的影响。结果涂层最先在陶瓷层/TGO层界面的波峰与波谷之间开裂,此外在界面波谷处也存在开裂现象。当陶瓷层厚度在300~500μm范围内,界面裂纹的平均长度随陶瓷层增厚而增长,裂纹密度也随之增加。粘结层厚度为50μm时,界面裂纹的平均长度为15μm;当厚度增加到100μm时,界面裂纹平均长度减少到10μm;而厚度为150μm时,界面裂纹平均长度又提高至12μm。当粘结层与陶瓷层厚度比在0.2~0.4的范围内时,陶瓷层/TGO层界面上的最大拉应力最小。结论陶瓷层厚度和粘结层厚度对热障涂层界面开裂行为的影响极大,小厚度陶瓷层以及当粘结层与陶瓷层厚度比在0.2~0.4的范围内时,热障涂层具有更好的抗界面开裂能力。粘结层厚度不宜过大,超过一定厚度时反而会降低涂层的抗界面开裂能力。计算结果与文献报道的结果相近,证明了模拟结果的准确性。     

界面形貌对热障涂层残余应力影响的数值模拟

利用ABAQUS有限元分析软件对热障涂层中的残余应力进行了模拟分析,研究了不同界面微结构及其尺寸(包括圆弧半径、高度)对平行和垂直于界面的残余应力最大值的影响。结果表明,界面形貌结构尺寸与热障涂层中的陶瓷层及粘结层界面残余应力有密切的关系,凹凸不平的界面将会使界面残余应力发生突变,界面形貌的曲率对残余应力的影响较大。这些结论为提高涂层界面结合强度提供了理论支持,也为热障涂层界面的优化提供了指导。     

EB-PVD热障涂层的弹性模量和断裂韧性研究

用压痕法测量EB-PVD热障涂层的弹性模量及断裂韧性。发现热障涂层的Vickers显微硬度和弹性模量随施压载荷增大而减小,当载荷为2.94N时,显微硬度和弹性模量接近稳态值,分别为6.3GPa和172GPa;断裂韧性平均值约为1.81MPa·m1/2。压痕法测得陶瓷层断裂韧性数据波动较大,其主要原因是陶瓷层显微结构不均匀,使压痕裂纹在涂层不同局部区域所遇到的扩展阻力不同。     

燃气轮机起动过程热障涂层的应力数值分析

考虑了热障涂层在服役过程中发生的陶瓷层烧结和氧化层增厚作用,对燃气轮机起动过程中涂层热应力进行了数值研究。通过瞬态传热模拟获得起动过程温度场,运用顺序热应力耦合求解起动过程热应力。其中起动初始的陶瓷层烧结和氧化层增厚状态,通过预先模拟高温烧结和氧化层增厚过程来获得,并通过ABAQUS子程序分别实现。结果表明,起动过程中涂层瞬态温度场的变化主要受燃气温度的变化规律所影响。起动过程未见热应力激增现象,陶瓷层烧结和氧化层增厚主要对起动初期,尤其是起动过程的初始残余应力有重要影响,对起动过程中后期的影响可忽略。烧结对陶瓷层和粘结层的热应力均有较大影响,而氧化层增厚对陶瓷层热应力的影响很小,但其对粘结层热应力的影响比烧结更大。     

EB-PVD热障涂层的结构演变与表面拉曼光谱特性

热障涂层被广泛应用于航空发动机和燃气轮机等高温部件,其破坏机理和无损检测手段是研究中急需解决的问题。采用EB-PVD方法制备了陶瓷层厚度分别为180、120和90μm的3组热障涂层试样,经1 000℃高温氧化0、1、10、50和100h后,用HR800激光显微拉曼光谱仪测得试样表面的拉曼光谱特性,利用扫描电镜(SEM)观测了试样内部裂纹及氧化层(TGO)厚度的演变。研究表明,EB-PVD热障涂层裂纹主要发生在陶瓷层内部及陶瓷层与粘结层的界面处,粘结层和基体界面处产生裂纹的概率相对较小;同等条件下,增大陶瓷层的喷涂厚度,可以减缓氧化层的生长速度,但是会增大陶瓷层表面应力;热障涂层表面残余应力会随着热氧化时间的增加而增大,当表面残余应力减小时表明陶瓷层中有明显的裂纹或脱落产生。     

EB-PVD热障涂层热循环性能评价方法研究

制备8批次EB-PVD双层结构热障涂层试样,采用循环加热快速冷却实验装置模拟热障涂层服役环境,开展了热障涂层试样在不同热循环保温时间条件下的热循环性能评价实验,采用指数下降的数学模型对热循环实验数据进行拟合分析,获得了表征热障涂层试样静态氧化性能和热疲劳性能的物理量.结果表明,在本实验工艺条件下制备的不同批次热障涂层试样的静态氧化性能和热疲劳性能具有不同的匹配关系,热障涂层试样静态氧化性能总体估计值为(677±194)h,热疲劳性能总体估计值为(6789±1818)次.     

热障涂层抗腐蚀研究进展

腐蚀是燃气轮机涡轮叶片Y2O3稳定ZrO2(YSZ)热障涂层失效的主要原因.本文系统总结了YSZ热障涂层服役过程中面临的腐蚀环境:高温相变、烧结与氧化腐蚀,Na2SO4和V2Os熔盐腐蚀,以及熔融钙镁铝硅酸盐玻璃(CMAS)腐蚀.分析了YSZ热障涂层腐蚀机理,讨论了提高热障涂层抗腐蚀性能的理论和方法,指出了热障涂层抗腐蚀研究发展方向.     

界面粗糙度对热障涂层残余应力和裂纹演化的影响

由于残余应力的作用是造成热障涂层失效剥落的主要因素之一,本工作采用不同幅值的正弦曲线来模拟粗糙度对陶瓷层(TBC)-结合层(BC)界面处残余应力分布的影响;以内聚力模型模拟TBC-BC界面,研究了在外加机械载荷作用下粗糙度对界面裂纹萌生和扩展的影响。结果表明,粗糙度对残余应力分布以及裂纹的形核与扩展有很大的影响。随着粗糙度的增大,陶瓷层和结合层靠近界面的波峰波谷处最大拉/压应力也增大。当施加一定拉伸位移载荷时,最大损伤与裂纹首先在幅值最小的波峰波谷处产生。     

航空发动机涡轮叶片热障涂层失效分析研究

采用扫描电镜及能谱对航空发动机涡轮叶片热障涂层进行失效分析,将叶片划分为9个区域,发现其前缘区域由于涂层的使用温度高、粘结层氧化、尖晶石等大量生长,导致在TGO/陶瓷层界面处产生大量的生长应力,呈TGO/Top coat界面分层失效。后缘区域呈粘结层/基体分层分裂失效,同时所有区域都有CMAS腐蚀。CMAS附着在涂层表面,沿着纵向裂纹等缺陷渗透到涂层内部,引发涂层产生横向分层,并导致涂层腐蚀剥落。     

热障涂层界面化合物与残余应力演变研究

用超音速氧燃料热喷涂在铁基合金上制备热障涂层粘结层,用大气等离子热喷涂技术制备陶瓷层。研究了高温氧化后其界面化合物和残余应力的演变。结果表明,随着高温氧化的进行,TGO和BC/基体界面均有氧化物生成,但生长形貌和趋势并不一致。TGO由Al2O3层与尖晶石层组成;BC/基体界面氧化物为单一Al2O3,且存在层状和块状两种形貌。合金的热化学动力学引起元素Co和Ni向基底扩散比较严重,Al元素扩散止于界面氧化物层,基本不向铸铁基底扩散,Fe元素会向粘结层方向扩散。TGO残余应力的演化分为0~15 h和15~100 h 2个阶段,且残余应力与TGO的凹凸生长形貌及其物相组成密切相关;而BC/基体界面单一氧化物的残余应力基本稳定,不受其生长形貌影响。