热障涂层体系金属粘接层界面失效及改性机理研究

发布时间：2020-10-29 11:07

　　 为提高先进航空或地面涡轮发动机的涡轮前端进口温度和热效率,热障涂层被广泛地运用于燃气轮机的热端部件。典型的热障涂层体系由外部陶瓷层(TC,例如部分钇元素稳定的ZrO2,简称为YSZ)和底部金属粘接层(BC,例如MCrAlY包覆涂层或者铂改性铝化物涂层)构成。高温服役环境下在陶瓷层/金属粘接层界面处会不可避免的生成一层热生长氧化物(简称TGO)。通常人们希望能得到纯净、连续致密、平坦的微观形貌的TGO,这样才能起到连接陶瓷层和金属粘接层的过渡作用。TGO的质量直接决定了金属粘接层的抗氧化性能和热障涂层体系的服役寿命。普通和Pt改性的NiCoCrAlY-8YSZ热障涂层体系于1100℃下进行1000次循环氧化测试以考核Pt元素对TGO形成机制和抗氧化性能的影响。实验结果表明,普通NiCoCrAlY-8YSZ热障涂层界面处生成了 8.4 μm厚度的双层TGO(外层为(Ni,Co)(Cr,Al)2O4尖晶石,内部为α-Al2O3层),并伴随有少量的微裂纹。对比之下,Pt改性的NiCoCrAlY-8YSZ热障涂层界面处生成厚度仅为5.6 μm,而且仅由单一 α-Al2O3的氧化膜组成。Pt改性的NiCoCrAlY表面更易于生成低生长速率、单一的α-Al2O3的氧化膜,从而显著提高抗高温氧化性能同时延长热障涂层服役寿命。分别采用酸性/碱性电镀Pt法制备(Ni,Pt)Al涂层,并于1100℃下测试其高温氧化性能。对于酸性(Ni,Pt)Al,无论是恒温氧化还是循环氧化中均表现出了较弱的抗氧化性能。由于酸性电镀制备的(Ni,Pt)Al中引入了过量的杂质硫元素从而恶化了抗氧化性能增加了氧化膜的剥落倾向,其主要原因是杂质硫在高温氧化过程中发生了硫元素在金属粘接层/氧化膜界面处的富集,同时促进了 Al2O3氧化膜中孔洞和裂纹的形成。分别于N5单晶高温合金样品表面电镀5 μm厚度的Pt和Pt+Hf,经过气相渗铝,制备普通(Ni,Pt)Al和Hf改性的(Ni,Pt)Al涂层。制备得到对比试样分别于1100℃下进行循环氧化1000次测试后,普通(Ni,Pt)Al涂层在室温下主要由三种相(L10马氏体、B2(β-(Ni,Pt)Al)和 L12(γ-Ni3Al))组成。其原因是(Ni,Pt)Al 涂层中铝元素的过度消耗导致B2相发生不可逆相变,仅伴随着36.2%的体积收缩而诱导了涂层表面褶皱。而对于Hf改性的(Ni,Pt)Al涂层,其内部却呈现单一的层片状孪晶结构马氏体强化相。这是由于循环氧化中Hf改性的(Ni,Pt)Al内部发生了可逆相变“L10(?)B2”其伴随着3.9%微弱体积变化所致。微量元素Hf的添加极大提高了(Ni,Pt)Al涂层的高温抗蠕变性能,明显减缓或抑制了界面褶皱。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TG174.4;TK406
【部分图文】：

采用ＡＰＳ法制备得到的热障涂层具有良好的隔热效果，热导率通常为０．８￣１．２??Ｗ／（ｍ．Ｋ）。该工艺制备得到涂层的沉积速率快、材料利用率高而得到最广泛的市??场运用（如图１．３（３）所示）［１１＿１５；１８］。??ＥＢ－ＰＶＤ是自２０世纪７０年代发展起来的利用高速、高能量密度电子束轰击??加热靶材使得其表面蒸发于基体表面沉积形成涂层的过程。ＥＢ－ＰＶＤ法制备的热??障涂层具有独特彼此分离的柱状晶结构，柱状晶垂直于基体表面，使得其具有较??高的横向应变容限（如图１．３（ｂ）所示）。相比于ＡＰＳ制备的陶瓷层，ＥＢ－ＰＶＤ制备??得到的柱状晶结构陶瓷层在循环氧化过程中具有更加优异的抗剥落能力，同时陶??瓷层与金属粘接层界面能大量发生冶金结合提髙界面的结合强度。但是ＥＢ－ＰＶＤ??制备陶瓷层热导率通常为１．５？１．９?Ｗ／（ｍ．Ｋ），同时由于ＥＢ－ＰＶＤ具有隔热性能差、??沉积效率低、设备昂贵且复杂。由于上述原因导致了涂层的生产成本高，而大大??限制了其的广泛使用（见表１．２）。??Ｍｅｌｔｅｄ?Ｓｔａｔｅ??图１．２?ＡＰＳ法制备ＴＢＣｓ沉积过程??Ｆｉｇ．?１．２?Ｔｈｅ?ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ?ｏｆ?ＴＢＣｓ?ｐｒｅｐａｒｅｄ?ｂｙ?ＡＰＳ??４??

（ａ）?（ｂ）??图１．３不同制备方法下热障涂层的组织结构［１２］【呷（ａ）?ＡＰＳ；?（ｂ）ＥＢ－ＰＶＤ??Ｆｉｇ．?１．３?Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｏｆ?ＴＢＣｓ?ｐｒｅｐａｒｅｄ?ｂｙ?（ａ）?ＡＰＳ；?（ｂ）?ＥＢ－ＰＶＤ??表１．２?ＡＰＳ与ＥＢ－ＰＶＤ两种热障涂层工艺对比【１２］［１３】??Ｔａｂｌｅ?１．２?Ｔｈｅ?ｃｏｍｐａｒａｔｉｏｎ?ｏｆ?ＴＢＣｓ?ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ?ｂｅｔｗｅｅｎ?ＡＰＳ?ａｎｄ?ＥＢ－ＰＶＤ??工艺?ＡＰＳ?ＥＢ－ＰＶＤ??沉积材料?金属、合金及陶瓷?多种材料??基体预热?一?７００￣１１００°Ｃ??工艺气氛?大气状态?真空度＜１０－２￣１０＂＾３??表面光洁度?低?高??界面结合方??机械结合为主，伴随冶金结合?冶金结合为主??式??显微结构?等轴晶?柱状晶??致密度?低，伴随大量空隙、裂纹?中等??横向应变容??低?高??限??热导率??０．８?￣?１．２?１．５?￣?１．９??Ｗ／（ｍ．Ｋ）??沉积效率?高?低??设备投资?设备投资低，相对简单?设备投资巨大，设备复杂??在考虑涂层的使用环境、基体合金成分、涂层成分和生产工艺的因素外，金??属抗氧化涂层体系需要考虑如下的因素来满足实际工况的需要［１６］：??（１）良好的涂层界面间结合力，以及合适的热膨胀系数匹配。选用的制备工??艺、涂层材料和基体表面处理方式可以有效提高涂层的结合力，同时合适的热膨??胀系数匹配可以避免涂层在冷热交替作用下由于较大的界面热应力导致涂层的??开裂。??５??

Ｆｉｇ．?１．４?Ｃｕｒｖｅ?ｏｆ?ｃｏａｔｉｎｇ?ｃｒａｃｋｉｎｇ?ｓｔｒａｉｎ?ｗｉｔｈ?ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ??一般来说如果涂层发生塑性到脆性的转变，即使非常小的应变也足以导致其??发生开裂，并且易于发生贯穿。图１．４为涂层开裂应变随温度变化的曲线，由图??可知１＞ＤＢＴＴ时候呈现塑性模式，具有相当好的韧性而不易于发生破裂。该模??式下涂层对基体的力学性能影响不大，但是对疲劳性能影响显著并使得其明显降??低。因此，为避免涂层高温服役开裂，应该将涂层的韧脆性转变温度尽可能降低。??４????ｃｍｍ?／ＳｒｉＬ??３－?Ｊ?ｙ－—（１８Ｃｆ－９Ａｌ）?（２３Ｃｒ－ｉ２ＡＩ）??？?／?／??ｍ?？?７?／?ｙ?（２０Ｃｒ－９－１１ＡＩ）?／?／?／??＾?／?／?Ｘ??ｍ?．?＾＾７?ｙ?／?Ｘ?ＣｏＣｒＡｌＹ??１?（２７Ｃｒ－１２ＡＩ）??〇?？?ｉ?＇?ｊ??１?ｉ?＊?ｔ??，?ｒ?＇?￣??０?２００?４００?６００?８００?１０００?伽??瞻Ｃ??（ａ）??４????３?？?ＮｉＡｌ??、〇?ｗ（ＡＩ）＊?３２％＾＿?Ｗ（ＡＩ）＊３６％??Ｉ；：?—ｎ??：：：：：：——：：■：：：：■：■＂：：
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本文编号：2860817