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EB-PVD熱障涂層微觀損傷行為

2018-09-19 10:58:56劉德林牟仁德何利民
失效分析與預防 2018年4期
關(guān)鍵詞:熱障柱狀晶基體

姜 濤,劉德林,劉 洲,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.航空工業(yè)失效分析中心,北京100095;3.航空材料檢測與評價北京市重點實驗室,北京100095;4.材料檢測與評價航空科技重點實驗室,北京100095)

0 引言

為了滿足航空發(fā)動機渦輪葉片等熱端部件材料更加苛刻的服役環(huán)境要求,熱障涂層(TBCs)技術(shù)得到了廣泛重視,涂層失效及壽命是熱障涂層研究和能否實現(xiàn)工程應用首先需要關(guān)注的問題[1-2]。熱障涂層的失效涉及多因素耦合作用,其失效行為和機理異常復雜。例如陶瓷涂層與基體之間熱膨脹系數(shù)差異產(chǎn)生的熱應力、粘結(jié)層氧化導致TGO層增厚產(chǎn)生的應力、YSZ相變應力、YSZ陶瓷層的燒結(jié)收縮應力以及熔鹽沉積帶來的熱腐蝕破壞等等。在實際應用環(huán)境中,發(fā)動機工作葉片表面的熱障涂層還要承受彎曲、振動甚至撞擊等機械應力作用,因此涂層的工作環(huán)境不僅僅是高溫氧化腐蝕,而且有機械載荷[3-4]。

本研究通過對EB-PVD制備的TBCs涂層在室溫拉伸、高溫拉伸、高溫旋彎疲勞、中高溫持久、撞擊、壓縮、彎曲、沖蝕、振動、熱循環(huán)和超溫等典型環(huán)境下的失效形態(tài)及涂層破壞過程的宏微觀觀察,分別研究各環(huán)境下涂層失效的行為和機制,對TBCs涂層典型的微觀損傷形式進行分類總結(jié),研究結(jié)果有助于開展熱障涂層在復雜環(huán)境下失效行為的深入研究。

1 試驗材料與試驗方法

試驗所用基體材料為DZ125定向凝固高溫合金,根據(jù)不同試驗需要分別制備長條板型試樣、圓柱形試樣。采用陰極電弧鍍的方法在DZ125基體上沉積NiCrAlY抗氧化粘結(jié)涂層,真空熱處理,用電子束物理氣相沉積方法在表面沉積Y2O3部分穩(wěn)定的ZrO2陶瓷層(YSZ)。

分別進行室溫拉伸、高溫拉伸、高溫懸彎疲勞、中高溫持久、撞擊、壓縮、彎曲、沖蝕、振動、熱循環(huán)和超溫試驗。對試驗后試樣進行縱向剖切,鑲嵌后磨拋制備金相試樣,在CS 3100掃描電子顯微鏡下觀察剖面上熱障涂層的損傷情況。

2 熱障涂層典型的微觀損傷

1)陶瓷層晶簇間垂直裂紋。沿著陶瓷層柱狀晶間出現(xiàn)擴展的微裂紋,主要沿著柱狀晶簇間分布,有時也呈交叉網(wǎng)狀,向內(nèi)一般不進入粘結(jié)層,只有在大的拉伸、持久、彎曲載荷時才進入粘結(jié)層和基體(圖1)。YSZ陶瓷成簇生長,晶簇間存在界面,其在燒結(jié)收縮應力作用下以及與基體變形不協(xié)調(diào)時將產(chǎn)生此類微裂紋。

圖1 陶瓷層晶簇間垂直裂紋特征Fig.1 Vertical cracks between columnar grain packets within the ceramic layer

2)陶瓷層水平臺階裂紋。陶瓷層內(nèi)出現(xiàn)的大致垂直柱狀晶生長方向的微裂紋,裂紋可以出現(xiàn)在柱狀晶的任何部位,穿越晶簇時出現(xiàn)臺階(圖2)。陶瓷晶簇間相互擠壓產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)應力、陶瓷涂層與基體之間熱膨脹系數(shù)差產(chǎn)生的熱應力、粘結(jié)層氧化導致TGO層增厚產(chǎn)生的應力等,在陶瓷層內(nèi)部產(chǎn)生的無論是拉應力還是剪切力,均可導致此類裂紋產(chǎn)生。

3)陶瓷層V形崩裂。陶瓷柱狀晶受力變形相互擠壓形成的V型斷裂區(qū)(圖3)。陶瓷層隨基體材料變形,相鄰晶簇相向運動擠壓,內(nèi)部應力逐漸增大導致柱狀晶成排斜向斷裂。

圖2 陶瓷層(YSZ)水平臺階裂紋特征Fig.2 Step-like horizontal cracks within the ceramic layer

圖3 陶瓷層V形崩裂特征Fig.3 V-type collapsing of ceramic layer

4)柱狀晶彎折。同向生長的柱狀晶簇在外力作用下發(fā)生彎折、斷裂,形成的扭曲柱狀晶簇(圖4)。陶瓷晶體結(jié)構(gòu)復雜,室溫下沒有塑性,陶瓷柱狀晶在壓縮應力作用下,缺乏可移動位錯,晶體在一定應力下瞬時斷裂,與原始方向形成一定角度彎折。

圖4 柱狀晶彎折損傷特征Fig.4 Distortion of the columnar grains

5)柱狀晶簇崩落。柱狀晶內(nèi)因粘結(jié)層平整度差導致的發(fā)射狀晶簇在應力作用下發(fā)生的崩落,在涂層表面形成錐形凹坑(圖5)。受制備過程影響,柱狀晶從一微區(qū)放射狀生長,形成的扇形晶簇與周圍晶簇平直界面之間相互擠壓產(chǎn)生指向涂層外的拉應力,熱循環(huán)過程中又同方向疊加了熱應力,同時伴隨TGO氧化層間結(jié)合力下降,最終將導致該扇形晶簇從TGO 界面斷裂脫落。

6)等軸晶區(qū)水平裂紋。陶瓷層與粘結(jié)層間存在陶瓷層的混亂區(qū)——等軸晶區(qū),其內(nèi)部因內(nèi)應力而產(chǎn)生的水平方向的微裂紋,裂紋可能穿越柱狀晶、TGO,也可能沿裂紋形成陶瓷層剝離(圖6)。此種裂紋可能出現(xiàn)在涂層制備和服役過程中,與陶瓷層燒結(jié)應力和相變應力產(chǎn)生的綜合應力超出等軸晶區(qū)斷裂強度有關(guān)。

7)陶瓷層水平撕裂。涂層受到非均勻壓應力作用,局部應力超過陶瓷層剪切強度而出現(xiàn)的水平撕裂,裂紋張開較大(圖7)。

圖5 柱狀晶簇崩落損傷特征Fig.5 Spalling of the columnar grain packets

圖6 等軸晶區(qū)水平裂紋形貌Fig.6 Horizontal cracks in the equiaxial grain zone

圖7 陶瓷層水平撕裂特征Fig.7 Tearing morphology of the ceramic layer

陶瓷層柱狀晶受到壓應力作用,由于其生長角度必然與應力軸存在偏斜角,應力向下傳遞到陶瓷層等軸晶區(qū)形成水平剪切力,導致水平裂紋的產(chǎn)生。

8)陶瓷層微鼓分離。高溫下涂層發(fā)生內(nèi)氧化,在陶瓷層下形成合金元素的復雜氧化物,體積膨脹頂起陶瓷層,形成表面微觀鼓起,并產(chǎn)生涂層裂紋,甚至局部涂層分離剝離(圖8)。粘結(jié)層局部異常氧化是此類損傷的主要特征和必要條件,局部異常氧化可能與陶瓷晶簇間界面間隙較大、TGO層局部破壞有關(guān)。

圖8 陶瓷層微鼓分離特征Fig.8 Microsmelling induced decohesion of the ceramic layer

9)氧化層破碎。涂層經(jīng)長時間高溫氧化,形成TGO、粘結(jié)層內(nèi)氧化區(qū)等氧化層,氧化層在應力作用下出現(xiàn)裂紋,裂紋交錯導致氧化層破碎(圖9)。氧化層內(nèi)部應力復雜,即包括氧化物生長膨脹形成的內(nèi)應力,也包括陶瓷層與金屬粘結(jié)層變形不協(xié)調(diào)產(chǎn)生的剪切力,還包括粘結(jié)層氧化起伏產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)應力等,因此其裂紋形態(tài)復雜,最終導致氧化層碎片化。

圖9 氧化層破碎特征Fig.9 Fragmentation of the oxidation layer

10)粘結(jié)層內(nèi)氧化。涂層在高溫氧化環(huán)境下,粘結(jié)層中金屬元素Al、Ni、Cr被氧化成復雜的氧化物,粘結(jié)層后期受到TGO的阻擋,O優(yōu)先沿著TGO中裂紋缺陷進入粘結(jié)層,導致其局部發(fā)生氧化,出現(xiàn)深淺不一的內(nèi)氧化區(qū)(圖10)。內(nèi)氧化會引起體積變化對涂層抗剝落性能不利,但對向基體方向延伸的應力裂紋則有遲滯作用。

圖10 粘結(jié)層內(nèi)氧化特征Fig.10 Internal oxidation of the cohesive layer

11)粘結(jié)層垂直裂紋。粘結(jié)層在循環(huán)應力、拉應力等作用下,由于其自身疲勞強度較低,室溫彈塑性較差會產(chǎn)生垂直應力軸的微裂紋,裂紋主要分布在粘結(jié)層內(nèi),可能向基體和陶瓷層延伸(圖11)。此種裂紋多產(chǎn)生于室溫和低溫環(huán)境,隨著溫度升高,粘結(jié)層塑性逐漸改善,靜應力下將不再優(yōu)先產(chǎn)生此類裂紋,但循環(huán)載荷下疲勞裂紋仍可能從此位置萌生。

圖11 粘結(jié)層垂直裂紋特征Fig.11 Vertical cracks in the cohesive layer

12)粘結(jié)層裂紋鈍化。高溫環(huán)境下,O元素沿著粘結(jié)層垂直裂紋向基體內(nèi)部擴散,在裂紋尖端形成氧化區(qū),裂紋尖端的應力得以松弛,裂紋擴展減慢或者接近停滯(圖12)。裂紋在粘結(jié)層中擴展時由于粘結(jié)層氧化速率較慢,這種鈍化作用尚不明顯,當裂紋到達高溫合金基體時氧化速率快速增加,裂紋尖端產(chǎn)生明顯鈍化現(xiàn)象。

13)粘結(jié)層皺曲。涂層在高溫氧化環(huán)境下,粘結(jié)層表面受到氧化作用形成復雜氧化物,氧化物比容增大,體積膨脹,表面積增加超過圓柱體表面積,導致粘結(jié)層表面與TGO層出現(xiàn)微小褶皺,截面上表現(xiàn)為起伏的皺曲(圖13)。這種皺曲一方面可以協(xié)調(diào)TGO生長膨脹產(chǎn)生的內(nèi)應力,對保持TGO完整有利,但另一方面微觀皺曲產(chǎn)生大量應力集中點,容易產(chǎn)生層間裂紋而導致涂層剝落。

圖12 粘結(jié)層裂紋鈍化特征Fig.12 Crack inactivation in the cohesive layer

圖13 粘結(jié)層皺曲特征Fig.13 Cohesive layer waviness

3 結(jié)束語

EB-PVD方法制備的熱障涂層,由于陶瓷層(YSZ)、粘結(jié)層(NiCrAlY)和熱成長氧化物(TGO)三層因物相結(jié)構(gòu)的差異其物理特性差異很大,并且在環(huán)境作用下還會發(fā)生物相結(jié)構(gòu)的復雜變化[5-8]。因此,在各種載荷、溫度等典型環(huán)境下往往表現(xiàn)出不同的損傷行為和損傷形式;而三層結(jié)構(gòu)的相互影響和約束又使得熱障涂層整體損傷特點異常復雜。只有對涂層在典型應力、溫度等環(huán)境下的基本損傷行為有所了解,建立最基本的損傷形式類型,才能開展更為復雜的多層結(jié)構(gòu)損傷行為研究。

本研究提出的13種涂層損傷基本形式雖然只是熱障涂層眾多損傷形式的一部分,但也有利于加深對熱障涂層損傷行為和影響機制的認識,化繁為簡,對于進一步深入開展熱障涂層損傷機制研究具有借鑒意義。

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