晶界“背脊”形貌對熱障涂層熱沖擊壽命的影響
采用化學氣相沉積和電子束物理氣相沉積工藝在鎳基單晶高溫合金基體上制備了(Ni, Pt)Al/YSZ(Yttira stabilized zirconia, YSZ)熱障涂層(Thermal barrier coatings, TBCs),研究了TBCs 涂層在1100℃的抗熱沖擊性能。結果表明,陶瓷涂層的剝落位置主要出現在熱生長氧化物(Thermally grown oxide, TGO)層/ 粘結層的界面或者TGO 層內部。試驗過程中,粘結層表面晶粒晶界“背脊”形貌共存、TGO 層下方孔洞形成、陶瓷層內縱向裂紋延伸和TGO 層內殘余應力釋放均是導致TBCs 涂層過早剝落失效的主要原因。
具有優異高溫力學性能的鎳基單晶高溫合金是現今工業渦輪發動機的常用合金,但是為了彌補其抗高溫腐蝕性能的不足和進一步提高渦輪進口運行溫度,通常在鎳基單晶合金表面制備一層包覆型或鋁化物粘結涂層組成熱障涂層系統。熱障涂層(thermal barrier coating,TBCs)是利用陶瓷的隔熱和抗腐蝕的特性來保護基體合金材料,同時提高發動機渦輪進口溫度,這樣不僅可以提高燃料的燃燒效率,而且可以延長發動機機的服役壽命,在能源轉化方面具有重要的應用價值。而作為熱障涂層的粘結層,目前商業應用中多為包覆型的MCrAIY(M=Ni、Co)涂層和擴散型的鉑改性鋁化物((Ni, Pt)Al)涂層。由于鉑改性鋁化物涂層的粘附性能優異和抗氧化性能突出,在工業生產中經常作為熱障涂層體系的粘結層或者單獨使用[3]。其中鉑改性鋁化物涂層中的鉑元素能夠提高鋁化物粘結層的粘結性能、抗氧化性能、抗熱腐蝕性能和高溫循環壽命,特別是顯著提高渦輪葉片的壽命,盡管鉑價格昂貴,仍得到了廣泛應用。
據早期文獻報道,采用化學氣相沉積(CVD)技術制備的熱障涂層體系(Ni, Pt)Al 粘結層,其表面的晶粒晶界處通常擁有尺寸不規則的“背脊”形貌,該形貌是導致TBCs 在熱沖擊過程中過早剝落失效的起始點。隨著熱沖擊次數的增加,貫穿整個陶瓷層的縱向裂紋會在熱生長氧化物(thermally grown oxide,TGO)層處沿著晶界的“背脊”凸起形貌延伸、擴展。空氣中的氧元素會沿著TGO 層的裂紋間隙發生內擴散行為,引起粘結層晶界的過早擇優氧化。同時,晶界處的氧化物進一步產生微觀裂紋,并伴隨著粘結層的塑性變形引起裂紋尖端變寬以及在晶界“背脊”形貌下方生成微觀孔洞,極大地減弱了陶瓷層/TGO 層和TGO 層/ 粘結層的界面結合性能,加速了陶瓷層的過早剝落失效。
雖然目前已有相關文獻資料對具有晶界“背脊”形貌的(Ni, Pt)Al/YSZ 熱障涂層體系的熱循環壽命研究進行了報道,但是關于(Ni, Pt)Al/YSZ 熱障涂層體系的熱沖擊行為和失效機理方面的研究甚少。所以,本文的主要研究工作是采用化學氣相沉積和電子束物理氣相沉積技術在鎳基單晶高溫合金上分別制備鉑改性鋁化物涂層和陶瓷熱障涂層,開展粘結層表面晶界“背脊”形貌對熱障涂層體系熱沖擊壽命的影響行為和可能的TBCs 剝落失效機理研究。
1、試驗材料和方法
1.1、試驗材料和涂層的制備方法
實驗所用基體材料為鎳基單晶高溫合金,試樣尺寸為30mm×10mm×1.5mm 的長方形試片。首先在經吹砂、清洗后的基體合金表面電鍍一層鉑,并進行真空熱擴散處理;其次,采用化學氣相沉積技術制備出鉑改性的鋁化物涂層,用于充當熱障涂層體系的粘結層;最后,先將粘結層表面進行濕吹砂處理,以消除粘結層表面晶粒晶界處的“背脊”形貌,再采用電子束物理氣相沉積技術制備熱障涂層陶瓷層(一般為7%氧化釔部分穩定化的氧化鋯,YSZ)。
1.2、性能表征
熱障涂層的抗熱沖擊性能測試采用爐式加熱法進行,即:將涂覆熱障涂層的(Ni, Pt)Al/YSZ試樣置于耐火磚卡具內,設定爐子加熱到試樣的溫度為1100℃,加熱保溫時間為5min;待試樣加熱完畢后,爐子加熱樣品架自動移開加熱區。此時,樣品采用風扇流動空氣進行快速吹氣冷卻,冷卻時間為5min。加熱- 冷卻一個周期記為一次熱沖擊次數。如此反復進行,直至樣品表面出現明顯的涂層剝落現象,此時停止熱沖擊試驗,停止時的熱沖擊次數即為熱障涂層樣品的熱沖擊壽命。利用FEI-Quanta 600 掃描電子顯微鏡進行涂層的表面/ 橫截面微觀組織觀察和分析;用INCAx-sight 6247 能譜分析儀測試涂層的元素含量和元素分布;涂層的相結構則采用Bruker D8AdvanceX 射線衍射儀進行分析;利用HR800 拉曼- 光激發熒光譜技術測量熱生長氧化物層內的殘余應力。
2、結論
(1)(Ni, Pt)Al 涂層晶粒主要沿著高度織構的[110]晶向生長,且呈現均勻的多邊形網格狀排布,僅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 層/ 粘結層界面韌性、降低粘結層內β→γ'相變速率、均質TGO 層生長行為和減緩TGO 層殘余應力釋放速率是延長(Ni, Pt)Al/YSZ 熱障涂層熱沖擊壽命的重要途徑之一;
(3)涂層內殘余應力和壓應力釋放速率隨熱沖擊時間的延長而增大,當應力水平達到一定程度時易于引起TGO 層內微觀裂紋的萌生和滋長,微觀裂紋的橋聯和大面積擴展將導致陶瓷涂層剝落失效。