脉冲电子束作用下热障涂层微观结构及热循环性能研究

摘要

热障涂层 (TBCs) 作为涂覆于燃气涡轮发动机重要热端部件的热防护涂层，其服役寿命与燃气轮机的安全使用性能密切相关。热循环性能是决定热障涂层服役寿命的重要性能指标，由于当前燃气轮机的进口温度越来越高，对于热障涂层的热循环寿命显然也提出了更高的要求。本文利用强流脉冲电子束 (HCPEB) 技术对大气等离子喷涂 (APS) 技术制备的热障涂层陶瓷层 (ZrO2-8wt%Y2O3, YSZ)表面进行辐照处理，通过在微观层面上有目的地调控陶瓷层组织结构，实现热循环性能的改善。采取炉中加热与水冷不断交替的方法测试HCPEB处理前后TBCs在不同加热温度下的热循环性能，采用 X 射线衍射 (XRD)、扫描电子显微镜(SEM) 等现代测试分析方法详细分析辐照前后以及热循环过程中涂层表面微观形貌及相结构，研究HCPEB处理对涂层的微观结构状态及组织成分的影响规律，以及最终对涂层热循环性能的影响规律。 APS技术制备的热障涂层YSZ陶瓷层 (APS-YSZ) 呈典型的片层堆积结构，表面粗糙度较高，且分布有较多的未熔或半熔颗粒，并伴随有大量的孔隙与裂纹。APS-YSZ陶瓷层室温下相组成为t′+少量m相。利用HCPEB处理YSZ陶瓷层(HCPEB-YSZ)，结果表明：HCPEB辐照后，涂层表面热喷涂缺陷消除，表面发生重熔，趋于光滑平整，且随着辐照次数的增加表面粗糙度逐渐降低，重熔层厚度逐渐增加；重熔层内主要由表层细小等轴晶以及中间柱状晶构成，且内部形成沿纵向分布并贯穿于整个重熔层的网状垂直裂纹；辐照后的YSZ陶瓷层中m相几近消失，且表面生成高幅值的压应力。 隔热性能测试结果显示， HCPEB 处理后 TBCs 的热导率由原始 20.528 W/(m·K)下降至16.861 W/(m·K)，说明HCPEB处理后TBCs的隔热性能明显提高。950℃热循环实验结果表明：APS-TBCs热循环250次后涂层表面出现整体剥离，且剥落处呈梯度式分离界面，涂层失效；相比之下，HCPEB-TBCs 热循环 450次后，剥落面积仍不到1%，说明HCPEB处理后TBCs热循环性能大幅提升。950℃下涂层失效主要发生于YSZ陶瓷层内部，热循环过程中产生的热应力是导致涂层失效的根本原因；HCPEB辐照后，在多种辐照效应的协同作用下，使TBCs在热循环过程中的热应力水平大幅度降低，从而使得 HCPEB-TBCs 热循环性能有所提升。 1150℃热循环实验结果表明：APS-TBCs 热循环 35 次后涂层表面出现整体剥离，涂层失效；相比之下，HCPEB-TBCs热循环65次后，出现35%的剥落面积，涂层失效。1150℃下涂层失效主要发生于TC/TGO界面处，且TBCs在1150℃下的热循环寿命要明显低于950℃。热循环过程中的热应力、涂层残余应力、TGO生长应力和相变应力是导致涂层失效的原因所在，其中热应力水平高低是导致热循环寿命长短的决定性因素；HCPEB 辐照后涂层内部热应力水平大幅度降低，且TGO层厚度要低于原始涂层，是导致HCPEB处理涂层热循环性能提升作用的主要原因。

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