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热障涂层的应用现状

发布日期:2018-07-10 作者:振中电熔 点击:

  要想使航空发动机获得更大的推重比,就必须提高发动机涡轮前的进口温度,因此对航空发动机燃烧室、涡轮叶片等热端部件的抗高温能力的要求相应提高。在基体合金表面涂覆热障涂层(ThermalBarrierCoating,TBC)是有效提升其抗高温能力的途径之一。目前在涡轮发动机上获得实际应用的热障涂层均为双层结构:表层为陶瓷层,主要起隔热作用,此外还起抗腐蚀、冲刷和侵蚀的作用;内层为金属粘接层,主要起改善金属基体与陶瓷层之间的物理相容性,增强涂层抗高温氧化性能的作用。

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  迄今为止,应用最广、最成熟的热障涂层是以氧化钇(质量分数6%~8%)部分稳定氧化锆(YSZ)陶瓷层为面层,MCrAlY合金层为粘接层的双层结构热障涂层体系。YSZ具有低的热导率和相对较高的热膨胀系数,但是它在使用过程中存在如下问题:


  (1)当工作温度高于1200℃时,随着烧结时间延长,YSZ的孔隙率和微观裂纹数量逐步减少,从而导热系数上升,隔热效果下降。


  (2)高温环境中,热障涂层的面层和粘接层之间会生成以含铝氧化物为主的热生长氧化物(TGO),同时金属粘接层会产生“贫铝带”,随着热循环次数的增加,贫铝带扩大,富Ni、Co的尖晶石类氧化物在TGO中形成,从而使TGO内部产生较大的应力,最终诱发裂纹并导致陶瓷面层脱落。


  (3)空气环境中或飞机跑道上的颗粒物进入燃烧室后,在高温作用下形成一种玻璃态沉积物CMAS(CaO,MgO,Al2O3,SiO2等硅酸铝盐物质的简称)。CMAS附着在发动机叶片上,在毛细管力的作用下沿着YSZ涂层孔隙向深度方向渗透,随后CMAS与YSZ涂层中的Y2O3发生反应,加速YSZ相变,最终在热化学与热机械的相互作用下,导致YSZ涂层内部产生裂纹。


  (4)YSZ陶瓷面层、金属粘接层、TGO的热膨胀系数存在的差异会引起致YSZ陶瓷面层/TGO界面、TGO/金属粘接层界面上在从工作温度(上千摄氏度)降到室温的过程中产生应变失配,从而形成热失配应力,最终会导致YSZ面层脱落。


  为了改善YSZ涂层性能,人们进行了大量的探索和研究。表1是影响YSZ涂层服役寿命的常见问题及其改善需求、改善方法。


  1、改善抗烧结性


  (1)提高陶瓷涂层纯度,减少YSZ涂层中SiO2和Al2O3杂质的含量,可以显著降低涂层的烧结速率,平面收缩倾向减小,从而降低导热系数的增加速率,涂层表现出一定的抗烧结性。


  (2)在涂层中添加特殊化学元素。例如在镧系锆酸盐体系(La2Zr2O7)涂层中适量掺杂Hf、Nd、Gd、Sm等元素能够有效提升涂层的抗烧结性能。


  2、控制TGO的生长


  航空发动机在高温服役过程中,粘接层Al,Cr,Ni等金属元素接触氧气发生选择性氧化,会在粘接层(BC)和顶层陶瓷层(TC)表面形成一层热生长氧化物(TGO),进而造成涂层局部膨胀并对TC产生张力,当张力超过了TC的结合力时就会引起裂纹扩展,直至表面涂层的剥落。


  (1)改变粘接层的化学成分。适当掺杂一些活性元素(如Y,Hf,Zr),在这些元素的偏析聚集作用下,降低Al2O3的增长速度,抑制TGO生长;


  (2)采用冷喷涂(CS)、超音速火焰喷涂(HVOF)等工艺或预先沉积一层富Al的PVD“薄夹层”,改善涂层结构,降低氧气扩散系数,从而减缓TGO的生长速度。


  3、改善抗CMAS腐蚀性能


  发动机叶片上CMAS的形成不仅会造成钇的损耗引起ZrO2熔融相变产生不稳定相,CMAS的沉积还会引起涂层应力增大,加速涂层剥蚀,大大降低热障涂层的服役寿命。研究发现从以下几方面可改善涂层抗CMAS腐蚀性能:


  (1)改变涂层化学成分。在YSZ中添加Al,Ti,Si等元素可诱导生成一种氧基磷灰石相,从而抑制CMAS的向涂层内部侵蚀,降低界面层的浸润性能,增强涂层抗CMAS性能。


  (2)改变涂层结构。烧绿石结构的Y2Zr2O7中渗入的CMAS就比一般结构的YSZ少很多。对于“YSZ内层+稀土锆酸盐(Ln2Zr2O7)烧绿石外层”、“YSZ+Sm2Zr2O7”和“YSZ+Gd2Zr2O7”等双层热障涂层,由于烧绿石外层可以减少CMAS的渗入,因此热障涂层的抗CMAS侵蚀性得到极大提高。


  4、改善YSZ面层应变容限


  采用EB-PVD技术、等离子物理气相沉积技术(PS-PVD)、悬浮液等离子喷涂技术(SPS)等可制备“柱状”结构的YSZ陶瓷面层,通过柱间纵向开裂释放陶瓷面层/TGO界面上的热失配应力,使热障涂层可以承受更高的失配应变,从而提高YSZ陶瓷层应变容限,延长涂层热循环寿命。这种方法工艺简单,成本低,但是纵向裂纹是通过表面集中加热的方式产生的,密度不高且形态无法控制,因此涂层的循环寿命不稳定,使得涂层在应用上受到很大的限制。


  法国Albi学院的Philippe教授和Toulouse大学的Florence教授等利用溶胶-凝胶(Sol-Gel)方法在金属粘接底层上沉积YSZ层,通过高温热处理使其发生龟裂,再通过APS技术填充裂纹,强化原有结构,形成了一种具有网状分区结构的YSZ陶瓷面层。研究结果表明,这种具有纵向分区结构的热障涂层可以达到与EB-PVD热障涂层相近的热循环寿命。


  郑州振中电熔新材料有限公司创建于1987年,公司坐落于号称中华民族摇篮的轩辕黄帝故里——河南省新密市,三十一年来,公司一直致力于电熔新材料的研发和生产。

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