熱障涂層失效機(jī)理、改進(jìn)方法及未來發(fā)展方向

　　摘要：熱障涂層(ThermalBarrierCoatings,TBCs)是用于航空發(fā)動機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)的一種高效功能性隔熱涂層，常用材料為氧化釔(質(zhì)量分?jǐn)?shù)6%～8%)部分穩(wěn)定氧化鋯(YSZ)。本文首先從TGO生長、高溫?zé)�結(jié)、CMAS腐蝕、鹽霧腐蝕和熱膨脹失配等方面介紹了YSZ的失效機(jī)理，以上因素會從不同程度上造成涂層分層、開裂乃至失效。其次介紹了通過控制界面反應(yīng)速度和元素?cái)U(kuò)散速度、改變涂層化學(xué)成分及結(jié)構(gòu)等方法對YSZ的性能的改善。

　　為適應(yīng)下一代超高溫?zé)嵴贤繉拥陌l(fā)展要求，近年來國內(nèi)外針對制備工藝的改善和新材料性能進(jìn)行了研究。利用調(diào)控等離子物理氣相沉積的噴距能得到不同微觀結(jié)構(gòu)的熱障涂層，運(yùn)用納米粉體再造粒技術(shù)，能制備出抗熱震性能、耐磨抗腐蝕性、韌性以及可加工性更為優(yōu)異的納米結(jié)構(gòu)涂層。ABO3型鈣鈦礦結(jié)構(gòu)鋇鹽、鉭酸鹽、石榴石結(jié)構(gòu)稀土鋁酸鹽、磁鉛石結(jié)構(gòu)稀土鋁酸鹽、獨(dú)居石結(jié)構(gòu)稀土磷酸鹽等新型陶瓷層材料的研究是一大熱點(diǎn)。與傳統(tǒng)YSZ相比，新陶瓷層材料有優(yōu)異的高溫相穩(wěn)定性、熱膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率等性能，但存在斷裂韌性低、組分復(fù)雜等缺點(diǎn)。為未來研究提供了方向并展望了面臨的挑戰(zhàn)。

　　關(guān)鍵詞：熱障涂層;陶瓷材料;航空發(fā)動機(jī);超高溫

　　隨著兩機(jī)(燃?xì)廨啓C(jī)、航空發(fā)動機(jī))技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，研制高推重比、高效率、低油耗以及長壽命的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)勢在必行，要達(dá)到此目標(biāo)就要求較高的渦輪前進(jìn)口溫度[1]。作為先進(jìn)民機(jī)代表的波音787上裝配的TRENT-1000三轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)使用的是第四代鎳基單晶高溫合金和陶瓷基復(fù)合材料，其承溫能力達(dá)到1180℃，已接近高溫合金的熔點(diǎn)(~1300℃)。因此，為適應(yīng)在嚴(yán)酷的高溫環(huán)境下工作，熱障涂層技術(shù)被美國、歐洲和我國視為現(xiàn)有提高燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)推重比和熱效率的三大關(guān)鍵性技術(shù)之一[2]。

　　熱障涂層(ThermalBarrierCoatings,TBCs)是一種功能隔熱涂層，通常是將導(dǎo)熱系數(shù)較低的高熔點(diǎn)陶瓷材料噴涂于燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)核心熱端部件表面，避免高溫介質(zhì)直接作用在金屬基體表面，不僅可以達(dá)到降低金屬部件溫度、提高抗腐蝕性、進(jìn)一步提高發(fā)動機(jī)工作溫度的目的，而且還能減少燃油消耗，延長發(fā)動機(jī)的使用壽命。

　　目前，應(yīng)用最成熟、最廣泛的TBCs陶瓷層材料是質(zhì)量分?jǐn)?shù)7%-8%Y2O3部分穩(wěn)定ZrO2(YSZ)，粘結(jié)層主要采用MCrAlY合金(M指Fe、Ni、Co等)，但因其在服役過程中長期受到熱循環(huán)作用，會引起YSZ分層、剝落，導(dǎo)致熱障涂層體系失效。因此，目前國內(nèi)外研究人員對TBCs失效機(jī)理進(jìn)行了大量的研究，以期提高其隔熱性能及服役壽命。本文介紹了熱障涂層失效機(jī)制的研究現(xiàn)狀及改善措施，并探討了未來發(fā)展方向。

　　1YSZ服役過程中現(xiàn)存問題

　　1.1高溫服役過程中TGO的生長

　　TBCs服役過程中會形成熱生長氧化物(ThermallyGrownOxides,TGO)，其主要成分是Al2O3，連續(xù)而致密的Al2O3薄膜能有效阻止氧離子繼續(xù)向粘結(jié)層擴(kuò)散從而造成氧化，并能降低陶瓷層與粘結(jié)層之間熱膨脹系數(shù)的失配，從而起到提高TBCs壽命的作用。TGO的氧化增厚可分為三個(gè)階段：①快速生長階段(0-25h)：氧氣充足，Al選擇性氧化生成γ和θ相的Al2O3。②穩(wěn)定氧化階段(25h-150h)：亞穩(wěn)態(tài)γ和θ相的Al2O3向穩(wěn)態(tài)α-Al2O3轉(zhuǎn)變[3]，形成連續(xù)、致密的氧化膜，α-Al2O3增厚。③緩慢氧化階段(150h失效)：Al元素大量消耗，在粘結(jié)層表層附近形成“貧鋁區(qū)”，同時(shí)在陶瓷層/粘結(jié)層界面處生成Cr2O3和NiCr2O4等尖晶石相的混合氧化物，混合氧化物的繼續(xù)生成，會誘發(fā)YSZ層間未結(jié)合界面擴(kuò)展，進(jìn)而形成裂紋，最終導(dǎo)致涂層失效[4]。

　　1.2高溫?zé)�結(jié)

　　電子束物理氣相沉積(Electron-BeamPhysicalVaporDeposition,EB-PVD)制備的YSZ涂層的微結(jié)構(gòu)以羽毛狀的柱狀晶為主，晶間的間隙與內(nèi)部的納米級孔隙，使YSZ具有良好的應(yīng)變?nèi)菹�，緩解了熱障涂層的失效[5]。等離子噴涂制備陶瓷層則具有典型的層狀結(jié)構(gòu)，涂層內(nèi)部存在大量微觀裂紋、層間結(jié)合區(qū)及球狀氣孔，能有效降低涂層的熱導(dǎo)率[6-8]。當(dāng)TBCs表面溫度高于1200℃時(shí)，YSZ層易發(fā)生高溫?zé)�結(jié)，涂層中羽毛狀的柱狀晶結(jié)構(gòu)消失，其尖端變得平滑。

　　相鄰的柱狀晶因燒結(jié)而生長在一起，使涂層失去應(yīng)變?nèi)菹蕖Ｖ鶢罹Т只�明顯，且頂部的柱狀晶尺寸要明顯大于底部，晶粒粗化將導(dǎo)致柱狀晶的強(qiáng)度降低，力學(xué)性能下降[5]。同時(shí)涂層孔隙率呈整體下降趨勢，且燒結(jié)溫度越高，下降越多[8]�？紫堵实慕档蜁�導(dǎo)致陶瓷層彈性模量和硬度明顯增加，斷裂韌性增加[9]，從而使涂層硬化[10]，嚴(yán)重時(shí)甚至可以造成陶瓷層發(fā)生片狀脫落，從而導(dǎo)致葉片等熱端部件的金屬基體受到損傷。

　　1.3CMAS腐蝕

　　飛機(jī)在服役過程中，發(fā)動機(jī)易吸入沙礫、火山灰等顆粒物，它們吸附沉積在葉片表面，造成冷卻孔堵塞，引起涂層早期失效，當(dāng)吸入燃燒室后，在高溫燃?xì)獾淖饔孟滦纬扇廴诓Ａ�態(tài)沉積物CMAS(其主要成分為CaO、MgO、Al2O3、SiO2等硅酸鋁鹽物質(zhì)的簡稱，也常含有V、S、Na、Fe等微量元素)[11]。高溫下CMAS對YSZ涂層的腐蝕機(jī)理比較復(fù)雜，總體來說可分為以下幾個(gè)階段[12-16]：

　　首先，熔融的CMAS滲入涂層表面，使陶瓷層燒結(jié)速率加快，隔熱性能下降，梯度燒結(jié)導(dǎo)致不同CMAS滲入?yún)^(qū)在熱物理性能上與涂層整體有較大差異，長時(shí)間服役，陶瓷層內(nèi)會累積較大剪切應(yīng)力，造成分層、剝離等形式的失效;其次，Y3+溶解在CMAS中，導(dǎo)致貧Y區(qū)的出現(xiàn)，YSZ晶格轉(zhuǎn)變產(chǎn)生了3%-5%的體積膨脹和橫向壓應(yīng)力，使內(nèi)部萌生裂紋;最后，腐蝕降低了涂層應(yīng)變損傷容限，涂層在長時(shí)間受熱循環(huán)和CMAS的耦合作用，會產(chǎn)生分層、開裂以致剝落。

　　2YSZ性能改善的措施

　　2.1TGO生長的控制

　　金屬高溫氧化過程主要由界面反應(yīng)速度和元素?cái)U(kuò)散速度兩個(gè)因素控制。氧化初期界面反應(yīng)速度起主要作用，當(dāng)致密氧化膜形成并增厚后，元素濃度梯度引起的擴(kuò)散和電位梯度引起的遷移，其速度共同主導(dǎo)氧化速度，因此可以由此思路出發(fā)尋求控制TGO生長的方法。

　　改變粘結(jié)層的化學(xué)成分是控制TGO類型及生長速率的一種常用方法，不僅能在TGO中形成連續(xù)均勻致密的α-Al2O3膜，還能使TGO的生長速率保持在一個(gè)較低水平。BurtinP等[24,25]研究發(fā)現(xiàn)與氧化鋁的高溫相穩(wěn)定性會受到共擴(kuò)散的其它離子影響。Al3+、Mg2+等陽離子半徑較小，可加速Al2O3由γ、θ相向α相的相變，而Ca4+、Zr4+等大半徑陽離子則可抑制其相變，是因?yàn)樾“霃疥栯x子提供了向密排結(jié)構(gòu)α-Al2O3相變的條件[26]。摻雜Hf4+、Y3+等大半徑的活性陽離子可以抑制α-Al2O3，因?yàn)檫@些它們大多固溶在有氧離子空位網(wǎng)絡(luò)的亞穩(wěn)相氧化鋁中，在氧化過程中的偏析聚集作用抑制了TGO生長，而Cr元素等小半徑陽離子則固溶在結(jié)構(gòu)緊密的α-Al2O3中，加速TGO的生長[27]。

　　2.2提升YSZ的抗燒結(jié)性

　　提升YSZ抗燒結(jié)性能主要有以下兩種方法，一是采用稀土離子取代的LZ涂層，二是采用稀土鋯酸鹽與YSZ結(jié)合形成雙陶瓷層結(jié)構(gòu)。

　　3未來發(fā)展方向

　　所謂一代材料，一代發(fā)動機(jī)，工信部原材料工業(yè)司在《重點(diǎn)新材料首批次應(yīng)用示范指導(dǎo)目錄(2017年版)》中明確要求[53]，高隔熱涂層材料YSZ復(fù)相陶瓷材料要滿足：熔點(diǎn)>2000K，1200℃(100h)無相變，熱導(dǎo)率<1.2W/(m·K)。因此，未來熱障涂層的發(fā)展可以從改善制備工藝和尋找新型陶瓷層材料方面著手。

　　陶瓷方向評職知識：結(jié)構(gòu)陶瓷論文發(fā)表可投稿的期刊

　　4結(jié)語

　　本文介紹了航空發(fā)動機(jī)熱障涂層的主要失效機(jī)理，并歸納了國內(nèi)外改善熱障涂層的方法。雖然我國在新一代超高溫?zé)嵴贤繉臃矫娴牟糠盅芯恳堰_(dá)到國際先進(jìn)水平，但在熱障涂層材料、工藝水平等等方面仍需繼續(xù)探索，對熱障涂層性能評估仍缺乏科學(xué)、合理方法和標(biāo)準(zhǔn)。未來航空發(fā)動機(jī)熱障涂層材料的研究主要可從以下幾個(gè)方向進(jìn)行：

　　(1)控制TGO的生長速率，從而提高涂層的高溫穩(wěn)定性。(2)提升涂層的抗燒結(jié)性能，延長熱循環(huán)壽命。(3)延緩CMAS浸入時(shí)間，減少孔隙裂紋來提高涂層的抗CMAS腐蝕性。(4)制備納米結(jié)構(gòu)熱障涂層來提高抗鹽霧腐蝕性。(5)改善研發(fā)噴涂、造粉工藝來提高制備的涂層性能。(6)研究不同稀土摻雜比，尋找新的熱障涂層材料，以突破1200℃的限制。

　　作者：王志平，費(fèi)宇杰，劉延寬

轉(zhuǎn)載請注明來自發(fā)表學(xué)術(shù)論文網(wǎng)：http:///jzlw/25324.html