摘要：热障涂层（TBCs）技术已成为当今各国航空发动机推进计划中的三大关键技术之一，其涂层寿命的评估与预测是TBCs技术研究中的重要环节。简述了TBCs的失效形式和对影响其使用寿命关键因素的研究现状，旨在为建立寿命预测模型提供参考。
关键词：热障涂层；TBCs；使用寿命
1前言
抗高温涂层被广泛应用于一些关键的高温零部件，以提高严酷环境下的工作效率并延长使用寿命。其经历了扩散型铝化物、MCrAlY包覆、热障涂层（TBCs）的发展历程。其中TBCs由抗高温氧化、耐蚀的MCrAlY（M为Ni，Co或二者）系或PtAl合金黏结底层和热导率低的陶瓷表面层组成，是现代燃气轮机热端部件最先进的防护涂层之一。TBCs在航空发动机应用方面取得了良好的效果，但仍有一些关键问题尚未解决，严重影响热障涂层的寿命：如高温下黏结层合金的氧化及其与陶瓷层间的热膨胀系数差异，造成两者界面及陶瓷层内的层间开裂而降低其使用寿命；热生长氧化物（TGO）增加了陶瓷层与黏结层界面的应力，诱发陶瓷层、黏结层及TGO层中形成裂纹，引起TBCs的提前失效；大气等离子体喷涂的热障涂层由于黏结层与陶瓷层之间的机械嵌合连接，界面处存在粗糙度问题，局部存在应力集中，使得TBCs失效；高温热腐蚀、烧结、磨蚀、外应力作用及外来物破坏等。以下概述TBCs的失效形式和影响其使用寿命的关键因素的研究现状。
2影响TBCs使用寿命的因素
2.1热生长氧化物（TGO）
黏结层在TBCs中的主要作用是使陶瓷层/金属连接强度高并生成稳定且生长缓慢的α-Al2O3扩散势垒，黏结层通常为MCrAlY（M为Ni，Co，NiCo）或改善的铝化物Pt（Ni）Al层。在TBCs使用或热处理过程中，在黏结层靠近陶瓷层界面由化学作用而形成Al2O3氧化层，随着时间的延长，TGO层呈抛物线规律生长，即Kp=K0t1/2。在这一过程中，由于Al2O3与黏结层形成氧化物与消耗金属的体积比（PBR）大于1．5，在Al2O3/黏结层界面会形成内应力，随着氧化膜的增厚，内应力进一步增大。同时，在Al2O3生长过程中，黏结层中的Al元素会消耗，导致NiO，Cr2O3及尖晶石氧化物生成。由于NiO，Cr2O3的PBR较Al2O3的大，NiO，Cr2O3及尖晶石氧化物的生成将导致更大的内应力。而NiO，Cr2O3的生长主要为金属阳离子向外扩散，在氧化膜外侧不断形成新的氧化物，使得TGO/陶瓷层界面的机械键合不断弱化。APS制备的的TBCs在等温氧化过程中，TGO的生长会在其自身、与陶瓷界面及其与黏结层界面形成分层，导致陶瓷层整体剥落，引起TBCs失效。为了释放TGO生长带来的应力，EB-PVD制备的TBCs中的TGO层会发生起皱现象，导致在TGO/陶瓷层或TGO/黏结层界面先出现裂纹，裂纹进一步扩展，导致陶瓷层的整体剥落，引起TBCs失效。即使在氧化初期，由于θ-Al2O3向稳态α-Al2O3转变，其体积收缩12.3%，使氧化膜中产生相变拉应力，也促进了陶瓷层的剥落。可见，由高温氧化即TGO生长产生内应力是TBCs失效的主要形式之一。TGO厚度对每种TBCs存在一个临界厚度，超过这个厚度，就发生TBCs失效，这为后期的寿命预测提供了一个可操作的途径。
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2.2热匹配
在使用过程中，TBCs体系经历高温作用，各层及基体的物性不同，存在热物理性能不匹配的问题。YSZ，Y2SiO5及SiO2隔热效果好，但从与Ni基高温合金的热匹配来看，SiO2显然不合适，Y2SiO5容易烧结，会降低涂层的抗蠕变性能。目前，Y2O3稳定的ZrO2（YSZ）体系被广泛应用。近年来，新型陶瓷层不断涌现，如CeO2-YSZ，La2Zr2O7等，但都存在制备工艺和技术不成熟等问题，YSZ仍是今后一段时间内主要的陶瓷层体系。即便是热膨胀系数比较接近的材料，在Al2O3/黏结层界面仍然存在较大的差异，热循环过程中，在Al2O3/黏结层界面处产生应力集中，进一步形成裂纹，影响TBCs的使用寿命。在实验室热震试验中，这种由热膨胀系数引起的涂层失效与上下限温度、温度降、升降温度速度及保温时间有关：上下限温差越大，越容易引起涂层失效；温度升降速度太快，也容易引起涂层的短寿命失效；保温时间越长，TGO生长引起的Al2O3/黏结层界面热膨胀不匹配问题就越明显，越容易引起涂层的失效。因此，即使材料的热膨胀系数差别不大，在热循环过程中，尤其是温差大、升降温度快时，极易引起Al2O3/黏结层界面应力集中，进而引发裂纹，甚至导致涂层失效。
2.3界面粗糙度
界面粗糙的产生分为外生型和内生型。外生型是通过有效的预处理（如喷丸）而使APS热障涂层的机械粘附力得到增强，以保证陶瓷层/黏结层间有较强的机械结合力时所致；内生型是在使用过程中，为释放热匹配问题和TGO横向生长产生的应力而诱发的黏结层与TGO层界面起皱。裂纹缓慢生长引起的蠕变和疲劳行为同样可以使TGO/黏结层界面起皱。此外，由于黏结层中Al元素扩散引起的贫Al，诱发黏结层中β相向γ相转变，伴随体积变化，产生应力，也会引起TGO/黏结层界面产生褶皱。褶皱的形成会显著影响TBCs的寿命。界面粗糙度越大，在褶皱的冠顶和谷底的应力集中越明显，会产生明显的裂纹源，这是TBCs失效的主要起源地。虽然EB-PVD制备的TBCs的界面较平坦，可以不出现明显的界面粗糙度，但在使用过程中，由于TGO生长应力、蠕变和疲劳应力、相变应力等也会使得TGO/黏结层界面起皱，产生裂纹源而导致其失效。
参考文献：
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作者简介：
刘佳奇（1993-06-05），男，满族，籍贯：河北承德市，学历：硕士研究生在读，研究方向：激光熔覆热障涂层，非标自动化设备
论文作者:刘佳奇
论文发表刊物:《电力设备》2017年第20期
论文发表时间:2017/11/20
标签：涂层论文; 界面论文; 热障论文; 应力论文; 陶瓷论文; 生长论文; 裂纹论文; 《电力设备》2017年第20期论文;