火山灰高溫腐蝕EB-PVD熱障涂層的微結(jié)構研究.pdf

1、熱障涂層(TBCs)是應用于航空發(fā)動機上保護惡劣環(huán)境中工作的金屬部件和提高發(fā)動機效率的一項關鍵技術。隨著發(fā)動機推重比的提高，燃燒室內(nèi)燃氣溫度不斷升高，熱障涂層的火山灰腐蝕失效已成為制約其使用壽命的突出問題，應用多種微觀表征方法獲得詳細的微結(jié)構信息是分析熱障涂層破壞機理的重要途徑。本文為研究高壓渦輪葉片用TBCs火山灰沉積后的失效行為，首先，用真實火山灰(VA)和人造火山灰(AVA)高溫腐蝕了電子束物理氣相沉積工藝(EB-PVD)制備的7

2、wt％Y2O3 stabilized ZrO2(7YSZ)TBCs；然后，采用X射線衍射(XRD)、拉曼光譜(Raman)、掃描電子顯微鏡(SEM)和透射電子顯微鏡(TEM)測試分析了陶瓷層的腐蝕微結(jié)構演變結(jié)果；最后，比較了真實火山灰與人造火山灰對熱障涂層腐蝕的異同，揭示了火山灰中微量元素(比如Fe)在熱障涂層腐蝕過程的作用。主要研究結(jié)果如下：
　　通過對日本櫻島火山灰的熱化學性能測試發(fā)現(xiàn)：火山灰是由一系列不同比率的造巖礦物組成，

3、硅酸鹽和石英所含Si轉(zhuǎn)化為SiO2占總氧化物的60%，同時富含的Fe以Fe2O3和硅酸鹽陽離子形式存在；實驗用真實火山灰粒徑d90=10.3μm，熔化時有寬的軟化/熔化溫度范圍，吸熱曲線峰值為1180℃，而人造火山灰C10M7A13S70存在準熔點，1250℃熔化吸熱量最高。
　　1150℃時，保溫1h，TBCs表面沉積的火山灰半軟化；4h后，頂部陶瓷層柱狀晶尖端處生成了ZrSiO4，經(jīng)確定為火山灰與YSZ化學反應的產(chǎn)物，但無單斜

4、相ZrO2。24h時，TEM分析發(fā)現(xiàn)柱狀晶表面存在腐蝕方坑，腐蝕坑邊緣形狀由原子密度大、腐蝕速率低的(001)晶面控制；柱狀晶縫隙中填充物質(zhì)的組成與形態(tài)跟化學環(huán)境相關，頂部位置為非晶態(tài)的火山灰，而靠近YSZ/Al2O3界面則是結(jié)晶的鈣長石(CaAl2Si2O8)，富鋁的YSZ/Al2O3界面有利于鈣長石析出；同時鈣長石存在的界面區(qū)域發(fā)現(xiàn)了裂紋，鈣長石(CaAl2Si2O8)的形成將產(chǎn)生生長應力和熱應力，所以裂紋將優(yōu)先在此位置產(chǎn)生并擴展。

5、
　　1250℃時，真實火山灰和人造火山灰腐蝕過的柱狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)轭w粒填充的網(wǎng)絡結(jié)構，YSZ涂層表面都有ZrSiO4生成，界面都有CaAl2Si2O8出現(xiàn)，但YSZ仍為c/t-ZrO2；TEM分析發(fā)現(xiàn)，當TBCs被兩種不同的火山灰腐蝕后，陶瓷層形貌都受到了嚴重的破壞，界面處出現(xiàn)大量的球形顆粒，而人造火山灰腐蝕時，柱狀晶縫隙中有球形m-ZrO2析出，表明Fe等元素對陶瓷層腐蝕形貌和物相分布無直接影響。1400℃時，AVA/YSZ界面處出