強(qiáng)流脈沖電子束作用下熱障涂層熱生長(zhǎng)氧化物生長(zhǎng)行為與應(yīng)力狀態(tài).pdf

1、涂覆抗高溫氧化和熱障性能的熱障涂層(TBCs)材料是提高航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件耐高溫性能的主要方法，熱生長(zhǎng)氧化物(TGO)的非受控生長(zhǎng)是導(dǎo)致TBCs在長(zhǎng)期高溫服役環(huán)境中產(chǎn)生失效的主要因素，也是研發(fā)高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)所面臨的關(guān)鍵技術(shù)難題。本文則以TBCs-TGO為研究載體，利用強(qiáng)流脈沖電子束(HCPEB)表面處理技術(shù)干預(yù)TGO的生長(zhǎng)和演化行為，旨在改善TBCs的高溫服役性能。
　　本課題采用大氣等離子噴涂(APS)的方法在基體合金表面

2、制備雙層結(jié)構(gòu)的TBCs，粘結(jié)層(BC)為CoCrAlY，陶瓷層(TC)為ZrO2-8wt％Y2O3(YSZ)，并利用HCPEB表面改性手段分別對(duì)MCrAlY粘結(jié)層和YSZ陶瓷層表面進(jìn)行轟擊處理。采用高溫氧化實(shí)驗(yàn)、熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)和拉伸實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)TBCs的性能，利用X射線衍射(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)、三維激光掃描顯微鏡(LSM)、原子力顯微鏡(AFM)、透射電子顯微鏡(TEM)和顯微共聚焦激光拉曼光譜儀(MRS)等多種表征及測(cè)試手段重

3、點(diǎn)考察HCPEB輻照對(duì)涂層材料微觀結(jié)構(gòu)的影響，總結(jié)和建立表面改性技術(shù)—微觀結(jié)構(gòu)狀態(tài)—高溫服役性能之間的關(guān)系，研究表面處理?xiàng)l件下TGO的生長(zhǎng)和演化行為及TBCs的失效機(jī)制，為提高TBCs的使用壽命提供必要的理論儲(chǔ)備。
　　APS制備的粘結(jié)層具有堆積式片層結(jié)構(gòu)特征，層間為黑色氧化物;涂層表面粗糙不平，存在大量的空隙、孔洞、未熔或半熔化小顆粒及氧化物夾雜等噴涂缺陷。1050℃C高溫氧化實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，APS-TBCs高溫氧化過程分為三個(gè)階

4、段:(1)瞬時(shí)氧化階段，該階段氧化動(dòng)力學(xué)曲線服從直線規(guī)律，短時(shí)間內(nèi)氧化膜增厚較為明顯;(2)緩慢氧化階段，該階段TGO增長(zhǎng)速率成小斜率直線增長(zhǎng)，TGO呈雙層結(jié)構(gòu)，即混合氧化物層和α-Al2O3層;(3)加速氧化階段，該階段TGO增長(zhǎng)速率成大斜率直線增長(zhǎng)，主要以混合氧化物為主。200h氧化后，TGO厚度為11.12μm，并且在混合氧化物區(qū)域形成具有貫穿趨勢(shì)且沿界面方向擴(kuò)展的橫向裂紋。熱循環(huán)結(jié)果顯示，APS-TBCs經(jīng)過200次熱循環(huán)后涂層

5、表面剝落面積占總面積的34％，涂層宣告失效;150次熱循環(huán)后TGO內(nèi)部平均殘余應(yīng)力高達(dá)1.28GPa。
　　利用HCPEB處理MCrAlY粘結(jié)層，涂層表面發(fā)生重熔，表面空隙、孔洞等噴涂缺陷消失，形成相互連接的胞狀凸起結(jié)構(gòu)，內(nèi)部為晶粒尺寸約1～3μm的垂直于表面方向的柱狀晶。此外，重熔層表面形成多種形態(tài)的納米顆粒及位錯(cuò)、層錯(cuò)和孿晶等特殊的變形結(jié)構(gòu)。溫度場(chǎng)模擬結(jié)果顯示，HCPEB處理后涂層表面存在熔化和蒸發(fā)兩種模式，是導(dǎo)致材料表面形成

6、特殊形貌的主要原因。高溫氧化實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，HCPEB處理后，TGO的生長(zhǎng)遵循Wagner氧化拋物線理論，TGO始終保持單層生長(zhǎng)形態(tài)，其生長(zhǎng)過程也分為三個(gè)階段，但相比于原始涂層，脈沖電子束處理后帶來的輻照效應(yīng)能夠促使連續(xù)致密的α-Al2O3膜在瞬時(shí)氧化階段快速形成，一旦重熔層表層α-Al2O3保護(hù)膜形成，TGO的生長(zhǎng)速度則明顯變緩，且接近恒速生長(zhǎng)，即使在氧化后期，TGO的生長(zhǎng)速度也十分緩慢，200h氧化后TGO厚度僅為4.41μm，說明H

7、CPEB處理后TBCs的耐高溫氧化性能明顯提高。拉伸試驗(yàn)結(jié)果顯示，HCPEB處理后TBCs的界面結(jié)合強(qiáng)度高于APS-TBCs。熱循環(huán)結(jié)果顯示，HCPEB處理后TBCs經(jīng)過200次熱循環(huán)后涂層表面僅出現(xiàn)1％的邊角脫落，150次熱循環(huán)后TGO內(nèi)部平均殘余應(yīng)力僅為860MPa，說明HCPEB處理后氧化膜的內(nèi)應(yīng)力得到有效地釋放。
　　利用HCPEB處理YSZ陶瓷層，微觀組織結(jié)果顯示，原始涂層表面粗糙多孔的缺陷結(jié)構(gòu)消失，形成均勻、致密的重熔

8、層，重熔層具有表面等軸晶+層內(nèi)柱狀晶的雙層組織結(jié)構(gòu)，且輻照表面的表面粗糙度隨轟擊次數(shù)的增加而降低;此外，重熔層內(nèi)部出現(xiàn)沿?zé)崃鞣较虻木W(wǎng)狀垂直裂紋，并隨著轟擊次數(shù)的增加裂紋的龜裂程度增加;柱狀晶和垂直裂紋的形成有利于提高TC層的應(yīng)變?nèi)菹蕖RD結(jié)果顯示，APS-YSZ主要由少量的單斜相m和四方相t'構(gòu)成，而脈沖電子束轟擊處理后，t'相的含量增加，m相的含量逐漸降低。高溫氧化實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，脈沖電子束處理前后TGO均為雙層結(jié)構(gòu)，但處理涂層的TG