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喷涂机涂层热循环失效机理分析

  喷涂机发动机叶片等热端部件的表面热障涂层工作环境极为恶劣,不断经历加热、冷却的热循环交替过程,承受着各种应力的反复冲击作用随着服役时间的延长以及循环次数的增加,涂层中的应力和能量逐渐累积,当达到一定程度时,涂层发生失效。影响涂层失效的因素有很多,主要因素包括以下几个方面:

  1.界面形貌的影响

  等离子喷涂热障涂层的面层与黏结层间的界面较粗糙,粗糙的界面一方面增加了涂层与基体之间的啮合作用,使涂层与基体的结合更为紧密;但同时粗糙的界面又是应力最容易集中的地方,很容易引起涂层的开裂,直至失效。准确的界面形貌是建立涂层模型的关键。由于涂层中面层与黏结层界面基本呈现出近似正弦的关系,所以正弦或近似正弦分布的界面模型得到了广泛的应用。Busso等人的研究表明,随着界面形貌的几何形状因子ba(图1-7)的增加,对应的涂层应力集中程度加大。

  2.TGO相变与蠕变

  热障涂层中陶瓷层的主要材料为YO部分稳定的zO(简称为YSZ),由于YSz具有大量的氧离子空位,加之陶瓷层内大量孔洞裂纹等缺陷的存在,加速了高温下氧的传输,引起MAN黏结层氧化(M为合金元素),在陶瓷层与黏结层之间形成了TGO层。TG的形成主要是因为一方面氧通过陶瓷层向黏结层传输,另一方面黏结层中的N、A、cr等元素向陶瓷层扩散,在面层与黏结层界面处,N、A、c等元素与氧发生化学反应,生成TGO。随着保温时间的延长,TGO的厚度不断增加,生长速率不断下降。TGO的生长方式有两种,一种是向外(陶瓷层方向)生长,另种是向内(黏结层方向)生长,但主要生长方式还是内生长。

  一些学者建立了TGO生长的动力学模型,其中比较典型的是TGO厚度h随时间t、温度θ变化的模型。TG的相变过程促使材料的体积发生膨胀,而膨胀不能自由发生,于是在TG○内部产生了较高的相变应力。材料的髙温蠕变效应使TGO的相变应力得到了一定的松弛。蠕变是指在一定的温度和载荷作用下,不可恢复的应变随时间的变化持续增加的现象。

  TGO产生的相变过程中,TGO内部的压应力值可以达到1GPa左右。在涂层冷却之前,由于TGO与黏结层之间的热膨胀系数不匹配,进一步增加了TG内部的压应力。另外,陶瓷层与黏结层的高温蠕变效应也加剧了TGO的内部应力状态变化的复杂性。在涂层高温热氧化试验中,随着TG○生长厚度不断增加,TG○内部的应变能迅速累积,从而引起TG○的失效。 Trunova等人的研究表明,在TGO高温生长过程中,TG○内部开裂是热障涂层高温失效的主要形式。

  3.陶瓷层烧结作用

  陶瓷层内含有大量的孔洞、裂纹等缺陷,在高温作用下陶瓷层发生烧结而变致密,体积收缩,弹性模量増大。陶瓷层弹性模量増大导致涂层中应力增加。随着高温保温时间的延长,等离子喷涂热障涂层中陶瓷层的弹性模量逐渐増大,増大的速率逐渐减小,保温一定时间以后,弹性模量基本不再发生变化。有限元计算结果表明,随着保温时间的延长,TGO不断变厚,陶瓷层内法向应力也逐渐增大,考虑烧结作用的陶瓷层内法向应力要远大于不考虑烧结作用的陶瓷层内的法向应力。

  4.热应力作用

  随着高温保温时间的结束,涂层冷却并收缩,但由于涂层各个部分之间的约束以及外在约束的作用,收缩不能自由发生,于是在涂层内部产生了热应力,热应力是促使涂层失效的重要原因。由于影响涂层热应力的因素很多,所以很难精确计算涂层实际的应力状态。