电子束物理气相沉积热障涂层抗冲蚀性能研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)北京航空材料研究院 作者:蔡妍

  本文采用真空电弧镀技术(AIP)在DZ408 高温合金基体上沉积HY3(NiCrAlYSi)金属粘结层,采用电子束物理气相沉积技术(EB-PVD)在HY3 粘结层上沉积YSZ 陶瓷面层,研究了热障涂层的抗冲蚀性能。对于沉积热障涂层的试样进行了抗冲蚀试验,来评价其抗冲蚀性能,通过扫描电镜(SEM)分析冲蚀前后的试样显微形貌,用X- 射线衍射仪分析涂层的相结构,通过质量冲蚀率对涂层抗冲蚀性能进行表征。试验结果表明在相同冲蚀条件下,TBC 涂层冲蚀率随冲蚀时间的增加而增加;涂层经光饰处理后降低了TBC 的表面粗糙度,提高了TBC 的抗冲蚀能力。

  目前,热障涂层(TBCs)具有良好的隔热、抗高温氧化腐蚀性能,国内外航空、航天、舰船、兵器等军工产品普遍而大量地使用热障涂层,以达到减少冷气量、提高热效率和延长发动机寿命的目的。航空发动机的燃烧室工作环境十分苛刻,不仅工作温度高,而且存在大量高温凝相颗粒,在高速燃气流携带下冲刷叶片,会导致热障涂层局部磨损厚度减少,还可能导致柱状晶结构发生塑性变形和开裂。因此,研究热障涂层的抗冲蚀行为、改善热障涂层的抗冲蚀性能已成为开发高性能、高可靠性、长寿命航空发动机的关键技术之一。

  电子束物理气相沉积是热障涂层的主要制备技术之一。EB-PVD 技术制备的陶瓷面层具有独特的柱状晶羽毛状显微结构,使得涂层具有更高的应变容限,热循环寿命比PS 热障涂层提高近8 倍。然而,迄今为止,通过AIP 和EB-PVD技术制备的热障涂层,在其抗冲蚀性能评价方面仍然没有详细的报道。为此,本研究利用AIP 法制备HY3 涂层,利用EB-PVD 制备YSZ 陶瓷面层,对其组分、相结构和抗冲蚀性能进行系统研究,并对评价设备作介绍。

1、实验材料与方法

  1.1、实验材料

  基体材料为定向凝固铸造镍基高温合金DZ408(30 mm×10 mm×1.5 mm,粗糙度0.63~1.25),粘结层为NiCrAlYSi。制备粘结层前,按照GBⅡ373—89《热喷涂金属件表面预处理通则》对基体试片进行表面处理及活化。采用M∧Π-1M 真空电弧镀制备NiCrAlYSi 金属粘结层,粘结层厚度为20~30 μm,沉积后进行870 ℃/3 h 高温真空扩散处理,以增强涂层与基体间接和并且消除涂层的内应力。在粘结层上用EB-PVD 法制备陶瓷面层,陶瓷层材料为YSZ,厚度为60~80μm。采用直径为2.8~3.0 mm 的ZrO2 圆球对TBC 进行光饰处理,降低涂层表面粗糙度。

  1.2、试验方法

  采用吹砂试验设备,按GJB150.12-86《军用设备环境试验砂尘试验》中吹砂试验条件和试验方法要求进行2 h 冲蚀试验。试样与砂粒接触角为65°~70°。石英砂砂粒直径为0.154 mm,砂粒总量为100 g,电机转速为1400 r/min,加热温度为80~100 ℃。试验总时间为2 h,分为8 个周期,每隔15 min 取出试样,吹干净砂粒后进行外观观察和称量质量,称之为一周期。试验结束后,去掉其表面积砂,进行外观观察和质量称量。

  1.3、测试及表征

  采用FEI-Quanter 600 扫描电镜(SEM),分别对涂层横截面和表面的组织形貌进行分析。用D8Advance X 射线衍射(XRD)分析涂层的相结构。

2、结果与分析

  2.1、TBC 涂层的相结构和SEM 表面形貌

  陶瓷层的相结构XRD 谱图如图1 所示。由图1可知,8YSZ 沉积态涂层的相结构是由单一的四方相(t)所组成的,其化学组成为t′-Zr0.92Y0.08O1.96。此单一相结构的存在,有效地说明了涂层中并没有单斜相的存在,也就是说在涂层的制备过程中,并没有相变的发生,避免了涂层中因相变所导致的裂纹产生。

8-YSZ 沉积态涂层的XRD谱图

图1 8-YSZ 沉积态涂层的XRD 谱图

  图2 为DZ408 合金沉积热障涂层TBC 的沉积态截面显微组织。如图2 所示,热障涂层结构为常规双层结构,即金属底层加陶瓷面层。EB-PVD 制备的陶瓷面层(60~80 μm)沿垂直于涂层/ 基体界面方向形成许多彼此分离的柱状晶,每个柱状晶体与底层牢固结合。采用真空电弧镀技术沉积的金属底层(20~30 μm)与基体合金结合良好,无孔洞等明显缺陷。

408+TBC 沉积态的SEM截面图

图2 DZ408+TBC 沉积态的SEM 截面图

3、结论

  (1)DZ408 合金沉积热障涂层遭受冲蚀时,其冲蚀失重高于合金和HY3 涂层,热障涂层更需要提高其抗冲蚀性能。

  (2) 经过光饰处理的热障涂层粗糙度Ra 从2.51μm 降至2.16 μm,其抗冲蚀性能增强。

  (3)经过1.5 h 的冲蚀试验后,原始态的TBC有部分剥落,呈现纺锥型,陶瓷面层剥落的根部接近TGO。

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