采用eb-pvd技術制備的分層熱障涂層的研究

為了滿足未來作戰、能源短缺和環境保護的要求，航空發動機已發展成為高流量、高投資重量和功重比、高氣溫、高可靠性和長壽命的方向。為實現這些目標,發動機熱端部件需要熱障涂層體系提供一定的隔熱防護此外,也可以嘗試在陶瓷層內部形成同種材料如YSZ的多分層結構,這種多分層結構在制備上相對于多層結構TBCs得到了極大簡化。按照分層界面所處的位置,存在兩種分層效應,一種是簡單的分層,生長界面橫跨涂層截面,可以稱為多分層YSZ熱障涂層,如圖1(a)所示;另一種是如圖1(b)所示的微疊層結構目前常用的基于EB-PVD技術的YSZ多分層熱障涂層制備方法包括:較低的試樣轉速、基體溫度的高低交錯、等離子束或離子束輔助沉積1顯微組織表征采用實驗性EB-PVD裝置UE-204沉積TBCs,設備介紹詳見文獻分別采用TescanXM5136型掃描電鏡和PhilipsX′pertMRDX射線衍射儀研究了多分層TBCs的顯微組織形貌和相結構。采用CM1700Series熱循環爐進行熱循環測試。熱循環測試參數均設定為1100℃保溫50min,軸流風扇強制風冷10min,1h完成1次循環。其中,熱循環氧化測試是利用稱重法測定涂層的氧化性。將試樣放置在坩堝內,用帶孔坩堝蓋扣住,然后稱量試樣連帶坩堝的質量,作為初始質量。將坩堝連帶試樣置于爐內進行循環氧化,定期取出坩堝緩冷至室溫,用感量為1022.1tbcs的生長特性圖2(a)、(b)是典型的低轉速(920℃、1r/min)下多分層TBCs的剖面形貌,可以清楚地觀察到分明的層狀結構,且隨孔隙呈現波浪狀起伏,與圖1(a)相對應。低轉速下多分層的出現源于試樣的旋轉,沉積面背向蒸氣時形成一個較薄的低密度層,面向蒸氣時形成一個稍厚的致密層。每個周期內兩層的厚度不同是因為沉積面處與蒸氣相對或背離時的局部蒸氣密度差異導致生長速度不同。圖2(c)、(d)給出了采用離子輔助EB-PVD(850℃、4kV)制備的TBCs的剖面形貌,可以看到單個柱狀晶上出現了厚度為0.3～0.5μm的“︽”形的微疊層,分層界面不是很規則,有點像屋頂橫截面,微疊層尖端沿著生長方向指向涂層表面。由于微疊層位于單個柱晶內部,可以看出柱間孔隙也得以保留。TBCs在生長方向(厚度方向)形成微疊層結構的原因是柱狀晶的競爭生長過程中脈沖Ti離子轟擊造成了蒸氣云的周期性擾動。不難理解,這兩種層狀結構必然伴隨著大量分層界面的引入及相鄰分層中的密度的調制變化。常規TBCs的連續柱狀晶結構被分層界面打亂,也意味著柱狀晶的長大受到了一定程度的抑制。2.2金屬離子輔助圖3是室溫下多分層TBCs的相結構。由圖3可以看出,由于采用了同樣的蒸發源材料(7YSZ),兩種層狀結構TBCs均呈現類似的衍射特征,涂層內部都形成了不可轉變的四方相(t′)結構。同時,強度不一的衍射峰初步說明涂層內均存在不同程度的晶體學擇優取向。盡管有周期性Ti離子的轟擊輔助,但并沒有出現新相,說明引入的金屬離子數量相對較少。未施加離子源的情況(920℃、1r/min)下,TBCs的衍射最強峰出現在(200)面,同時(400)面形成了次強峰。施加離子輔助后,隨著加速柵電壓的增大,(111)面峰強度逐漸增大。在920℃、6kV時,(111)面成為最強峰,表明涂層內部占優取向由(100)逐漸變化到(111)。本研究中,層狀結構TBCs的占優取向由(100)逐漸變化到(111)的現象,離子輔助微疊層試樣比低轉速試樣更明顯。占優取向變化的這一現象跟Wolf等沒有離子輔助時,TBCs在初始的隨機生長階段會形成無取向的多晶體,此后,(100)取向晶粒經過競爭生長而迅速長大并成為占優取向。引入離子輔助后,入射離子帶來額外能量,一定程度上改善了到達沉積面的沉積粒子的表面遷移能力。同時,入射離子與蒸氣粒子的碰撞導致晶格重構和濺射。當晶粒的凈生長速率隨離子束相關取向改變后將引起涂層的生長調整,特定取向不再是(100)取向的晶粒快速生長,而沉積面的表面粗糙度又誘發了生長不穩定性,導致特定取向占據優勢地位2.3u2004離子輔助微疊層試樣的增重圖4是通過稱重法獲得的不同試樣的循環氧化動力學曲線,所有試樣在初始的約60次循環階段增重迅速。與裸露試樣相比,包覆TBCs之后,同等條件下的試樣熱增重至少減小了10%～25%。層狀結構降低了TGO的生長速率,離子輔助微疊層試樣獲得的增重減小幅度比常規TBCs又低了10%～35%,低轉速分層試樣的增重則最低。出現這一現象是因為隨著循環氧化次數(時間)的不斷增加,陶瓷層和粘結層之間熱膨脹系數不匹配導致了應力不斷累積,促進了YSZ柱狀晶中的微裂紋不斷萌芽和擴展。這些裂紋成為外界O的直入通道離子輔助微疊層分層試樣的循環氧化增重都要小于常規試樣,這是因為引入的層狀結構伴隨著大量的周期性分層界面。這些密集的分層界面阻礙了YSZ層中萌生裂紋的擴展,使得裂紋擴展增殖速度都比較緩慢,甚至只能在若干分層內擴展2.4涂層tbcs壽命每組試樣保證有4個達到失效,最終的壽命統計結果如圖5所示。從圖5可以看出,在相同的制備工藝條件下,由于所涉變量眾多,TBCs的壽命測試結果也較為離散。Ne-methNN等常規TBCs的壽命區間為90～480h。低轉速分層試樣的整體壽命表現不理想,約200h,但最高也可達到340h,且隨著轉速從1r/min逐漸升到4r/min,TBCs壽命有所改善。低轉速TBCs的“鏈條狀”分層組織與界面在熱循環初期一般能有效地抑制垂直裂紋的擴展,使涂層具有相對較低的高溫氧化增重速率,但是也降低了柱晶的應變容限離子輔助TBCs的壽命區間為180～600h,最高可達713h。正如圖1(b)中微疊層分層TBCs的設計初衷,單個柱晶內部形成的微疊層分層對柱間孔隙沒有形成限制,沒有犧牲TBCs優良的應力應變容限,在熱循環狀態下,柱間孔隙仍可較為自由地開合以緩釋應力,因而涂層壽命相對較長。如圖6(b)所示,920℃、4kV下的離子輔助試樣經過612次熱循環之后,涂層表面仍然完整,涂層體系也沒有失效。3復配型結構(1)采用離子輔助EB-PVD和低轉速法成功制備的兩種分層結構的TBCs,都引入了大量分層界面,且具有相鄰分層中密