PS-PVD羽-柱状结构7YSZ热障涂层的制备与性能研究

摘要

热障涂层(Thermal Barrier Coatings，简称TBCs)因其具有较好的隔热功能，同时能够提高发动机热端部件的服役温度及抗高温腐蚀性能，故与先进高效气膜冷却技术、高温结构材料一起并称为先进航空发动机及高压涡轮叶片的三大关键技术。目前制备TBCs的传统技术主要包括大气等离子喷涂技术(APS)和电子束-物理气相沉积技术(EB-PVD)，其中APS层状结构热障涂层沉积速率较高、隔热性能较好，但抗热震性能较差;而EB-PVD柱状结构热障涂层具备优异的抗热震性能和应变容限，但其隔热性能较差、沉积速率低且制备成本高。随着航空发动机推重比的不断提升，对发动机涡轮叶片TBCs服役综合性能提出了更为苛刻的要求。为满足未来高推重比航空发动机叶片发展需求，开发一种新型TBCs制备技术及新型TBCs体系是必经之路。近年来，基于超低压等离子喷涂而开发的一种结构可控的新型TBCs制备技术—等离子喷涂-物理气相沉积(PS-PVD)，利用该技术有望可制备出融合APS和EB-PVD两者技术优点的新型TBCs结构体系。
　　本文以纳米团聚烧结的ZrO2-7％Y2O3(7YSZ)粉末为原料，采用PS-PVD技术在K417镍基高温合金基体上制备出羽-柱状结构7YSZ涂层。与传统APS层状结构7YSZ涂层进行对比，系统研究了两种涂层的抗高温氧化性能、抗粒子冲刷性能以及抗热震性能。另外，通过调节涂层制备工艺参数（喷距），建立涂层工艺-结构-性能之间的对应关系。最后采用交流阻抗谱法对涂层在高温服役过程中微结构演变进行无损表征分析。研究结果表明:
　　1.羽-柱状结构7YSZ涂层是由纳米级的二次柱状晶及其间隙，柱状枝晶间孔隙和分布在柱状枝晶上的微纳米固态颗粒构成。沿着涂层生长方向，“菜花状”头部逐渐增大，柱状结构间距依次增加，涂层由致密结构向疏松结构演变。不同工艺（喷距）下7YSZ涂层均为羽-柱状结构，并随着喷距增加，涂层表面的“菜花状”头部由“小而密”向“大而疏”变化，涂层表面粗糙度和孔隙率均不断增加，而结合强度无明显变化，均处于19至21MPa之间。当喷距为1250mm时，单个柱状结构显微硬度最高，为441.24HV0.1。
　　2.高温氧化过程中，羽-柱状结构7YSZ涂层内微裂纹首先在热生长氧化物层(TGO)/陶瓷层(7YSZ)界面萌生，接着在TGO生长应力作用下裂纹沿着TGO/7YSZ层界面扩展，扩展到柱状结构间隙处停止，部分内应力得到释放，残余应力在间隙处被引向柱状结构内部造成新裂纹产生。最终在温度梯度热应力下，新裂纹扩展导致柱状结构内部断裂失效，从而在涂层表面形成氧化剥落坑。由于羽-柱状7YSZ涂层孔隙率较高，粘结层未经过预处理的羽-柱状结构涂层的氧化速率明显快于层状结构7YSZ涂层，但经过抛光与预氧化处理后，其抗高温氧化性能相对于层状结构7YSZ涂层提高了5倍。此外，随着喷距增加，羽-柱状结构7YSZ涂层的抗高温氧化性能在逐渐降低，当喷距增加到1250mm，TGO外界氧分压接近临界饱和值时，涂层的氧化速率常数无明显变化。
　　3.羽-柱状结构7YSZ涂层冲刷失效过程主要包括三个阶段:快速冲刷阶段，即初始冲刷期，涂层表面粗糙“菜花状”头部被冲刷过程。中速冲刷阶段，即为“菜花状”头部以下，陶瓷层致密底部以上的柱状结构受到砂粒的冲刷过程。慢速冲刷阶段，即致密陶瓷层底部的磨粒磨损过程。失重和厚度损失法测试均表明羽-柱状结构7YSZ涂层抗冲刷性能不如层状结构7YSZ涂层，单根羽-柱状结构涂层显微硬度是影响羽-柱状7YSZ涂层抗冲刷性能的主要因素，因此喷距1250mm涂层抗冲刷性能最好。采用PS-PVD+APS复合工艺能有效改善羽-柱状7YSZ涂层的抗冲刷性能，厚度约为20μm致密7YSZ涂层在被冲破后，复合涂层仍然保持慢速冲刷速率，抗冲刷性能相对于羽-柱状结构7YSZ涂层提高了约4倍。
　　4.羽-柱状结构7YSZ涂层在1050℃热震过程中，涂层失效主要以点蚀剥落为主，点蚀剥落的主要原因是淬火应力以及陶瓷层与基体之间的热膨胀系数差异所形成的热不匹配热应力（拉应力）。在这两种热应力下，单个羽-柱状结构陶瓷层内将形成微裂纹，随着热震次数的增加，微裂纹贯穿整个单根羽-柱状结构，从而发生点蚀剥落，当相邻羽-柱状结构不断发生点蚀剥落时，将形成大面积的点蚀剥落区，导致涂层失效。羽-柱状7YSZ涂层平均热震寿命(208次)是层状7YSZ涂层（139次）的1.5倍。随着喷距增加，羽-柱状7YSZ涂层孔隙率增加，应变容限提高，从而改善涂层的抗热震性能。
　　5.羽-柱状结构7YSZ涂层等效电路由四个串联的R-C电路组成。对喷涂态涂层阻抗谱分析表明，随着温度的升高，阻抗谱中容抗弧数量减少，YSZ晶界电阻值(y)与孔隙率(x)存在指数关系y=(1.3)x+1.43×103。高温氧化阻抗谱分析表明TGO层在高温氧化50h后发生致密化使得TGO层电阻率增加，氧化过程中涂层表面形成的烧结收缩裂纹是导致YSZ晶界电容值不断下降、电阻值不断增加的主要原因;而二次柱状晶的熔融烧结（即二次柱状晶界减小），是抑制YSZ层电容值下降、电阻值增加的主要因素。热冲击阻抗谱分析表明，随着热冲击次数的增加，TGO层电阻值增大，电容值减小，表明TGO层在热冲击过程中不断生长。热冲击对二次柱状纳米晶粒内部结构无明显影响，但在涂层表面烧结而成的收缩裂纹会造成YSZ晶界电阻值增加和电容值减小。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 热障涂层典型结构及材料体系概述

1．2．1 热障涂层典型结构

1．2．2 热障涂层材料体系

1．3 热障涂层制备方法

1．3．1 大气等离子喷涂

1．3．2 电子束-物理气相沉积

1．3．3 等离子喷涂-物理气相沉积

1．4 PS-PVD热障涂层研究进展

1．4．1 国外研究现状

1．4．2 国内研究现状

1．5 热障涂层无损表征技术

1．5．1 TBC典型无损表征技术

1．5．2 热障涂层交流阻抗谱分析

1．6 选题意义及主要研究内容

2．1 实验材料

2．1．1 基体材料

2．1．2 喷涂粉末

2．2 涂层制备方法

2．2．1 粘结层制备方法

2．2．2 陶瓷层制备方法

2．3 涂层微观结构及性能表征方法

2．3．1 涂层微观结构及物相分析

2．3．2 涂层力学性能测试

2．3．3 涂层抗高温氧化实验

2．3．4 涂层抗粒子冲刷性能测试

2．3．5 涂层抗热震试验

2．3．6 交流阻抗谱测试

第三章 羽-柱状7YSZ热障涂层微观结构及力学性能

3．1 引言

3．2．1 电子显微分析

3．2．2 X射线显微分析

3．3 喷距对羽-柱状7YSZ涂层微观结构及相结构的影响

3．3．1 喷距对涂层微观结构的影响

3．3．2 喷距对涂层物相结构的影响

3．4 喷距对羽-柱状结构7YSZ涂层力学性能的影响

3．4．1 喷距对涂层结合强度的影响

3．4．2 喷距对涂层显微硬度的影响

3．5 本章小结

第四章 羽-柱状结构7YSZ热障涂层抗高温氧化性能

4．1 引言

4．2．1 抗高温氧化性能对比

4．2．2 羽-柱状结构7YSZ涂层高温氧化失效形式及机制

4．3 粘结层预处理改善羽-柱状结构7YSZ热障涂层高温氧化性能

4．3．1 粘结层预处理对粘结层／陶瓷层界面及TGO生长演变的影响

4．3．2 粘结层预处理对7YSZ热障涂层氧化动力学行为的影响

4．4 微观结构对羽-柱状结构7YSZ涂层高温氧化性能的影响

4．4．1 微观结构对氧化动力学行为的影响

4．4．2 不同微观结构涂层氧化速度常数及其影响因素

4．5 本章小结

第五章 羽-柱状结构7YSZ热障涂层抗冲刷性能

5．1 引言

5．2 羽-柱状与层状结构7YSZ涂层抗砂粒冲刷行为

5．2．1 抗冲刷性能对比

5．2．2 砂粒冲刷失效机制

5．3 微观结构对羽-柱状7YSZ热障涂层的抗冲刷性能的影响

5．3．1 失重法

5．3．2 厚度损失法

5．4 复合工艺改善羽-柱状7YSZ涂层抗冲刷性能

5．4．1 复合结构7YSZ涂层抗冲刷性能对比

5．4．2 复合结构7YSZ涂层冲刷失效演变分析

5．5 本章小结

第六章 羽-柱状结构7YSZ热障涂层抗热震性能

6．1 引言

6．2．1 抗热震性能对比

6．2．2 热震失效行为及机制

6．3 微观结构对羽-柱状结构7YSZ热障涂层抗热震性能的影响

6．3．1 抗热震性能对比

6．3．2 不同微观结构涂层热震失效演变分析

6．4 本章小结

第七章 羽-柱状结构7YSZ热障涂层交流阻抗谱分析

7．1 引言

7．2．1 物理模型及等效电路的建立

7．2．2 测试温度对交流阻抗谱特征的影响

7．2．3 喷涂距离对交流阻抗谱特征的影响

7．3 高温氧化过程中7YSZ涂层微结构演变及阻抗谱分析

7．3．1 层状结构7YSZ涂层微观结构演变及阻抗谱分析

7．3．2 羽-柱状7YSZ涂层微观结构演变及阻抗谱分析

7．4 燃气热冲击过程中7YSZ涂层微结构演变及阻抗谱分析

7．4．1 层状结构7YSZ涂层微观结构演变及阻抗谱分析

7．4．2 羽-柱状7YSZ涂层微观结构演变及阻抗谱分析

7．5 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读博士学位期间发表或完成的论文

声明

致谢