晶界“背脊”形貌对热障涂层热冲击寿命的影响

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)北京航空材料研究院表面工程研究所 作者:牟仁德

  采用化学气相沉积和电子束物理气相沉积工艺在镍基单晶高温合金基体上制备了(Ni, Pt)Al/YSZ(Yttira stabilized zirconia, YSZ)热障涂层(Thermal barrier coatings, TBCs),研究了TBCs 涂层在1100℃的抗热冲击性能。结果表明,陶瓷涂层的剥落位置主要出现在热生长氧化物(Thermally grown oxide, TGO)层/ 粘结层的界面或者TGO 层内部。试验过程中,粘结层表面晶粒晶界“背脊”形貌共存、TGO 层下方孔洞形成、陶瓷层内纵向裂纹延伸和TGO 层内残余应力释放均是导致TBCs 涂层过早剥落失效的主要原因。

  具有优异高温力学性能的镍基单晶高温合金是现今工业涡轮发动机的常用合金,但是为了弥补其抗高温腐蚀性能的不足和进一步提高涡轮进口运行温度,通常在镍基单晶合金表面制备一层包覆型或铝化物粘结涂层组成热障涂层系统。热障涂层(thermal barrier coating,TBCs)是利用陶瓷的隔热和抗腐蚀的特性来保护基体合金材料,同时提高发动机涡轮进口温度,这样不仅可以提高燃料的燃烧效率,而且可以延长发动机机的服役寿命,在能源转化方面具有重要的应用价值。而作为热障涂层的粘结层,目前商业应用中多为包覆型的MCrAIY(M=Ni、Co)涂层和扩散型的铂改性铝化物((Ni, Pt)Al)涂层。由于铂改性铝化物涂层的粘附性能优异和抗氧化性能突出,在工业生产中经常作为热障涂层体系的粘结层或者单独使用[3]。其中铂改性铝化物涂层中的铂元素能够提高铝化物粘结层的粘结性能、抗氧化性能、抗热腐蚀性能和高温循环寿命,特别是显著提高涡轮叶片的寿命,尽管铂价格昂贵,仍得到了广泛应用。

  据早期文献报道,采用化学气相沉积(CVD)技术制备的热障涂层体系(Ni, Pt)Al 粘结层,其表面的晶粒晶界处通常拥有尺寸不规则的“背脊”形貌,该形貌是导致TBCs 在热冲击过程中过早剥落失效的起始点。随着热冲击次数的增加,贯穿整个陶瓷层的纵向裂纹会在热生长氧化物(thermally grown oxide,TGO)层处沿着晶界的“背脊”凸起形貌延伸、扩展。空气中的氧元素会沿着TGO 层的裂纹间隙发生内扩散行为,引起粘结层晶界的过早择优氧化。同时,晶界处的氧化物进一步产生微观裂纹,并伴随着粘结层的塑性变形引起裂纹尖端变宽以及在晶界“背脊”形貌下方生成微观孔洞,极大地减弱了陶瓷层/TGO 层和TGO 层/ 粘结层的界面结合性能,加速了陶瓷层的过早剥落失效。

  虽然目前已有相关文献资料对具有晶界“背脊”形貌的(Ni, Pt)Al/YSZ 热障涂层体系的热循环寿命研究进行了报道,但是关于(Ni, Pt)Al/YSZ 热障涂层体系的热冲击行为和失效机理方面的研究甚少。所以,本文的主要研究工作是采用化学气相沉积和电子束物理气相沉积技术在镍基单晶高温合金上分别制备铂改性铝化物涂层和陶瓷热障涂层,开展粘结层表面晶界“背脊”形貌对热障涂层体系热冲击寿命的影响行为和可能的TBCs 剥落失效机理研究。

  1、试验材料和方法

  1.1、试验材料和涂层的制备方法

  实验所用基体材料为镍基单晶高温合金,试样尺寸为30mm×10mm×1.5mm 的长方形试片。首先在经吹砂、清洗后的基体合金表面电镀一层铂,并进行真空热扩散处理;其次,采用化学气相沉积技术制备出铂改性的铝化物涂层,用于充当热障涂层体系的粘结层;最后,先将粘结层表面进行湿吹砂处理,以消除粘结层表面晶粒晶界处的“背脊”形貌,再采用电子束物理气相沉积技术制备热障涂层陶瓷层(一般为7%氧化钇部分稳定化的氧化锆,YSZ)。

  1.2、性能表征

  热障涂层的抗热冲击性能测试采用炉式加热法进行,即:将涂覆热障涂层的(Ni, Pt)Al/YSZ试样置于耐火砖卡具内,设定炉子加热到试样的温度为1100℃,加热保温时间为5min;待试样加热完毕后,炉子加热样品架自动移开加热区。此时,样品采用风扇流动空气进行快速吹气冷却,冷却时间为5min。加热- 冷却一个周期记为一次热冲击次数。如此反复进行,直至样品表面出现明显的涂层剥落现象,此时停止热冲击试验,停止时的热冲击次数即为热障涂层样品的热冲击寿命。利用FEI-Quanta 600 扫描电子显微镜进行涂层的表面/ 横截面微观组织观察和分析;用INCAx-sight 6247 能谱分析仪测试涂层的元素含量和元素分布;涂层的相结构则采用Bruker D8AdvanceX 射线衍射仪进行分析;利用HR800 拉曼- 光激发荧光谱技术测量热生长氧化物层内的残余应力。

  2、结论

  (1)(Ni, Pt)Al 涂层晶粒主要沿着高度织构的[110]晶向生长,且呈现均匀的多边形网格状排布,仅在晶粒晶界部位存在“背脊”形貌;

  (2)消除晶界“背脊”、抑制孔洞形成、提高TGO 层/ 粘结层界面韧性、降低粘结层内β→γ'相变速率、均质TGO 层生长行为和减缓TGO 层残余应力释放速率是延长(Ni, Pt)Al/YSZ 热障涂层热冲击寿命的重要途径之一;

  (3)涂层内残余应力和压应力释放速率随热冲击时间的延长而增大,当应力水平达到一定程度时易于引起TGO 层内微观裂纹的萌生和滋长,微观裂纹的桥联和大面积扩展将导致陶瓷涂层剥落失效。

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