粘结层表面状态对热障涂层使用寿命影响的研究

摘要

热障涂层（Thermal Barrier Coating，简称TBC）是航空发动机热端部件重要的高温防护材料，因其良好的抗高温氧化性能，有效地保护了合金基体，目前热障涂层的应用范围不断扩大，已广泛应用于航空航天、化工、冶金以及能源等领域。 本文应用等离子喷涂（APS）设备在Ni基高温合金GH99 上制备了热障涂层，在制备过程中对粘结层进行了超音速微粒轰击处理。综合利用透射电子显微镜、X 射线衍射仪、扫描电子显微镜、能谱分析仪等检测手段，对涂层的显微结构及高温氧化行为进行了分析。 研究了粘结层表面状态对热障涂层氧化过程的影响并通过热循环试验，系统分析了热障涂层的失效过程，阐述了热生长氧化物（TGO）状态与残余应力间的关系。研究结果表明： APS 热障涂层在高温氧化过程中，粘结层被氧化生成TGO，随着氧化时间的延长，热障涂层经过1050℃×96h 高温氧化后，TGO 层出现保护性Al2O3 向非保护性混合氧化物转变现象，同时伴随该层内部孔洞、裂纹等缺陷的产生和扩展。超音速微粒轰击工艺可使粘结层表层区域产生大量位错等缺陷，为Al的选择性氧化提供大量高速扩散途径，粘结层经1050℃×3h 高温氧化后进入稳态氧化期，同时出现Al 在粘结层表层的富集，热障涂层经1050℃×196h 氧化后粘结层依然无加速氧化趋势。 APS 热障涂层在热循环过程中，粘结层不仅受到高温氧化作用，还承受多种应力载荷。通过RFS 残余应力分析可知：TGO 层是热障涂层系统中最薄弱区域，TGO 层的局部厚大区和凸凹处残余应力较大，是裂纹萌生、扩展的主要部位。超音速微粒轰击工艺在有效干预TGO生长过程的同时，降低了TGO 层的应力水平。 超音速微粒轰击工艺的引入改善了粘结层表面的初始状态，提高了热障涂层的抗氧化和热循环性能，进而有效延长了APS 热障涂层的使用寿命。