EB-PVD热障涂层CMAS侵蚀裂纹形成与扩展机制的实验研究

发布时间：2017-10-07 01:28

  本文关键词：EB-PVD热障涂层CMAS侵蚀裂纹形成与扩展机制的实验研究

  更多相关文章： 热障涂层 CMAS 裂纹 高温腐蚀

【摘要】：热障涂层具有高隔热性、抗腐蚀等特点,所以作为优良的防护材料广泛应用于先进航空发动机的涡轮叶片上。然而飞机飞行过程中,空气中的沙尘等固体小颗粒便会随着热气流被卷入到涡轮叶片中,造成典型的CMAS入侵,最终引发涂层的失效。为了更为透彻的理解真实涡轮叶片的高温CMAS腐蚀失效机理,本文专门设计了梯度加热电阻炉,用模拟真实火山灰成分配制的CMAS,腐蚀以金属为基底的EB-PVD热障涂层,系统地探讨CMAS的入渗路径与规律。通过SEM、XRD、EDS、纳米压痕等微观表征手段,详尽的阐述了CMAS腐蚀造成的Ni基EB-PVD热障涂层的裂纹萌生与扩展过程,重点研究了腐蚀温度、时间、腐蚀粒子的单位含量对EB-PVD热障涂层腐蚀的影响。主要研究结果包括:1、模拟真实火山灰实验室配制CMAS粉末并分析了CMAS能够入渗的基本条件。多次手工研磨后CMAS粉末粒度在18μm左右分布最为密集,融化初始温度约为1170°C。CMAS到达其熔点后,在15 min内便可以通过毛细管作用沿着柱状晶间隙快速渗透到陶瓷层底部。另外只要接触时间足够长,CMAS在低于其熔点的温度下,也有少量可以入渗到陶瓷层中。2、逐步探讨了1250°C下CMAS造成EB-PVD热障涂层产生裂纹的规律,发现裂纹主要在CMAS大量富集的地方萌生。所以实验中,我们发现CMAS的涂覆量是影响裂纹快速扩展的主要因素之一。涂覆量越大,界面沉积的CMAS越多,底部YSZ腐蚀就越严重。针对同一涂覆量而言,短时间的高温腐蚀,CMAS主要集中在YSZ表层,实验中可以观察到1 h,2 h以及4 h腐蚀后的YSZ表层的柱状晶都发生了断裂,这里出现的仅仅是单个柱状晶上的微裂纹,裂纹并没有在相邻柱状晶之间有延伸。长时间腐蚀后,在界面出现粗大的裂纹,腐蚀24 h的样品的YSZ层从界面完全剥离。高温腐蚀过程中,由于YSZ中部分的Y元素会向表层以及基底有个扩散,出现了Y贫化区域,破坏了结构中ZrO2的稳定性,使其发生相变,相变带来的体积变化,促进了微裂纹的萌生,同时Al2O3的生长与新物质ZrSiO4的生成进一步加剧了微裂纹的扩展,最终导致了涂层的剥落。3、研究了经过CMAS高温腐蚀不同时间后TBC内残余应力变化关系。利用纳米压痕技术,同时建立平板模型,计算得出随着腐蚀时间的增加,陶瓷层的残余应力逐渐增加,并在24h腐蚀后局部存在一定的应力释放。
【关键词】：热障涂层 CMAS 裂纹 高温腐蚀
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG174.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-19
• 1.1 引言9
• 1.2 热障涂层简介与研究现状9-15
• 1.2.1 热障涂层的结构与材料9-11
• 1.2.2 EB-PVD热障涂层的优异性11-13
• 1.2.3 影响热障涂层裂纹形成的主要因素13-15
• 1.3 CMAS腐蚀导致热障涂层的失效15-17
• 1.3.1 CMAS侵蚀的不可避免与严重危害15
• 1.3.2 CMAS侵蚀TBC形成裂纹的研究现状15-17
• 1.4 本文选题依据17-19
• 第2章 实验室配制的CMAS性能测试与腐蚀实验方案设计19-29
• 2.1 引言19-20
• 2.2 实验室CMAS的配制20-23
• 2.2.1 实验室配制CMAS步骤20-21
• 2.2.2 CMAS粉末性能测试21-23
• 2.3 梯度加热炉的设计与制备23-24
• 2.4 腐蚀实验方案24-28
• 2.4.1 EB-PVD TBC样品的制备24-25
• 2.4.2 热障涂层微观分析样品的制备25-27
• 2.4.3 具体腐蚀实验方案27-28
• 2.5 本章小结28-29
• 第3章 Ca33Mg_9Al_13Si_(45)高温侵蚀EB-PVD热障涂层的裂纹扩展过程29-45
• 3.1 引言29
• 3.2 实验结果分析29-43
• 3.2.1 渗透深度与保温时间的关系30-36
• 3.2.2 1250 °C-10 mg CMAS腐蚀形貌演变的SEM分析36-40
• 3.2.3 XRD相鉴定40-43
• 3.3 不同CMAS涂覆量的分析43-44
• 3.4 本章小结44-45
• 第4章 CMAS腐蚀条件下EB-PVD热障涂层陶瓷层残余应力的变化关系45-58
• 4.1 纳米压痕技术的产生与发展45
• 4.2 纳米压痕测试技术的原理45-49
• 4.2.1 纳米压痕试验装置的组成45-47
• 4.2.2 材料弹性模量和硬度的测量47-49
• 4.3 CMAS腐蚀前后样品各性能参数的变化规律49-52
• 4.3.1 CMAS腐蚀前后样品硬度H的变化规律49-51
• 4.3.2 CMAS腐蚀前后样品杨氏模量E的变化规律51-52
• 4.4 残余应力的计算52-56
• 4.4.1 陶瓷层内残余应力的理论模型52-54
• 4.4.2 CMAS腐蚀不同时间样品陶瓷层残余应力的变化规律54-56
• 4.5 小结56-58
• 第5章 工作总结与展望58-60
• 5.1 工作总结58-59
• 5.2 工作展望59-60
• 参考文献60-66
• 致谢66-67
• 个人简历与在校期间发表的学术论文与研究成果67

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 王文杰;苗淼;;燃气轮机热障涂层的研究现状与发展趋势[J];热加工工艺;2010年08期

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 窦君智;甲虫鞘翅力学性能及其微结构研究[D];南京航空航天大学;2011年

，

本文编号：986166