功能梯度热障涂层热震表面裂纹_柳彦博

功能梯度热障涂层热震表面裂纹

柳彦博,王全胜,王富耻,马 壮,李东荣

(北京理工大学材料科学与工程学院,北京100081)

摘 要:作为发动机热端部件上使用的功能梯度热障涂层,其热震性能的好坏直接关系到涂层的使用寿命,涂层内部的裂纹在热震环境下的变化是影响其热震性能乃至使用寿命的直接因素。采用YSZ与NiCr CoA lY等离子喷涂制备了功能梯度热障涂层试样,采用扫描电子显微镜对不同次数热震后的涂层表面不同位置进行了观察比较。结果表明,随试样位置及热震次数的不同,表面裂纹存在显著不同;除主裂纹外,会产生二次裂纹;主裂纹与二次裂纹的宽度存在差异。

关键词:功能梯度;热障涂层;热震;表面裂纹;等离子喷涂;隔热

中图分类号:T G166 文献标识码:A

自20世纪80年代,功能梯度材料出现之后,因其具有普通均质材料所不具备的优越物理化学性能而迅速成为世界各国材料研究的焦点之一。采用等离子喷涂技术制备的热障涂层(TBCs)已在热机中获得广泛使用。在实际应用中,热障涂层最显著的特性是要求他在热冲击作用及恶劣工作环境下的耐久性能[1]。热障涂层强调的是隔热能力,而功能梯度材料强调的是从陶瓷到金属的梯度变化,从而实现热学、力学、电学性能的梯度变化,将二者的设计概念结合起来,即可得到既具有较强隔热性能又能大幅度缓和热应力的梯度复合涂层结构[2]。对于热障涂层而言,其抗热震性能是非常重要的性能指标,决定着该涂层的使用寿命。研究发现,导致热障涂层失效的因素有很多,其中主要包括:热应力、涂层制备时的残余应力、ZrO2相变及高温氧化等[3]。热障涂层的失效形式多种多样,有的在涂层表面出现龟裂裂纹,有的出现局部剥落、层间剥落等,其中,大多数失效的根本原因是涂层中的裂纹扩展造成的。控制涂层中裂纹的扩展即可提高涂层的使用寿命,因此,热震环境下涂层裂纹的研究成为重点。在热障涂层的裂纹中,表面裂纹会对涂层隔热能力及使用寿命产生很大影响,研究热震条件下涂层表面裂纹扩展的情况及其机理,对涂层设计及制备具有重要意义。

1 试验方法

1 1 试样制备

本试验中的试样基体材料采用LY12铝合金,其外形尺寸为 36mm 10m m,数量为3组6个,并且配有一定的喷涂夹具。涂层制备利用PRAX-A IR-T AFA公司生产的SG-100等离子喷枪制备,各层喷涂参数如表1所示,喷涂所用主气为氩气(Ar),辅气为氦气(H e)。试验中采用的陶瓷粉末是ZrO2(PSZ),粒度分布范围40~60 m,采用的金属粉末为NiCr CoA lY合金粉,粒度分布范围20~80 m。涂层采用6层梯度结构,涂层总厚度2mm,各层成分及厚度分布参见表2。

表1 功能梯度热障涂层喷涂参数

第1层第2层第3层第4层第5层第6层电流/A800800850850900900

主气(%)1001001001009090

辅气(%)000202030

表2 功能梯度热障涂层结构

第1层第2层第3层第4层第5层第6层ZrO20%20%40%60%80%100% NiCrC oAlY100%80%60%40%20%0%厚度0 3mm0 3mm0 3mm0 3mm0 3mm0 5mm

1 2 热震试验

热震试验采用自行研制的FGM热性能测试仪,该设备采用氧-乙炔火焰喷枪加热,试样表面冷却采用压缩空气,试样底部采用流动自来水连续冷却,表面温度采用红外测温仪测量,基体温度则通过热电偶测量。具体规范为:首先采用氧-乙炔火焰喷枪加热试样表面,当红外测试仪显示涂层表面温度达到1100 时,立即停止加热,移走氧-乙炔火焰喷枪,并且立即采用压缩空气冷却涂层表面,当热电偶显示基体温度降至300 时,停止冷却,1次表面热震试验结束,如要继续进行,则马上采用氧-乙炔火焰喷枪重新加热试样表面,进行上述循环,直到所需热震次数。采用的火焰枪为PRAXAIR公司生产的FP-73型火焰喷枪。本试验中,对3组试样分别进行了30次、50次、100次的单面热震。

1 3 涂层观察

在对3组试样进行温度范围为300~1000 的单面热震后,将试样放置于JSM-5600扫描电镜下对涂层表面观察,观察位置由边缘向中心延伸,观察放大倍数为35倍。

2 试验结果与分析

在对试样进行不同次数的热震后,均未出现剥落现象,说明在该试验条件下未达到涂层的失效极限。涂层表面通过扫描电镜观察发现以下特点:

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1)由于在热震时,氧-乙炔火焰焰心部分恰好位于试样中心,而冷却空气也是位于试样中心,因此,在涂层中心部位实际承受的温度递度变化最大,随着位置移向边缘,涂层所承受的温度递度渐趋缓和。对于原始组织中就已存在大量微裂纹和缺陷的涂层来说,热震时的应力是微裂纹扩展、缺陷连通的主要驱动力,较大的温度变化会导致产生较大的应力,使得中心部位所承受的应力较边缘大。另外,由于冷却空气的束斑很小,不能覆盖整个试样表面,使得中心部位对流更强烈、冷却速度更快,受到的热冲击更强烈,这些都是造成中心部位先出现龟裂裂纹的原因。随着热震次数的增加,龟裂裂纹继续延伸和扩展,以达到缓和热震应力并释放能量的目的。在对涂层表面观察后发现,经过30次热震的试样,涂层的边缘龟裂裂纹很少,很难看到龟裂裂纹。随着观察位置接近于试样中心,龟裂裂纹越来越明显,数量也越来越多。经过50次热震后,试样中的裂纹发生了明显变化,在距中心1/2半径处可以很清楚地观察到裂纹,且中心处裂纹变宽。当热震次数达到100次后,发现龟裂裂纹已经扩展到了涂层边缘。可以得出以下结论:在热震环境下,涂层表面的龟裂裂纹首先出现于涂层的中心部位,并且随着热震次数增加逐渐向边缘扩展。

2)对30和50次热震不同位置的裂纹比较,会发现边缘裂纹宽度要明显小于中心处裂纹的宽度,这种区别在经过30次热震后的涂层中更为明显,而经过100次热震后,发现边缘处的裂纹宽度与中心处的差别变小,说明龟裂裂纹首先在中心生成,继而向边缘延伸,同时先生成的裂纹在应力作用下变宽。裂纹延伸至边缘后,继续进行热震,裂纹增宽成为裂纹主要变化趋势。裂纹向涂层边缘延伸是裂纹沿着平行于涂层表面变化的结果,而裂纹扩张则是裂纹沿着垂直于涂层表面方向变化的结果,即裂纹从梯度涂层的表层向过渡层延伸的结果。其根本原因是热震时在涂层内部产生的应力及涂层中原有的残余应力。表层中的残余应力主要是径向的拉应力。在热震的环境下由于过渡层具有比表层更大的热膨胀系数,同样导致较大的径向拉应力,成为裂纹沿试样轴向从涂层表层向过渡层延伸的驱动力。

3)在已经形成龟裂裂纹的区域内,会发现有一些细小的裂纹将这些粗大的裂纹连接起来,在30次和50次热震试样中,细裂纹主要在试样中心出现,而在100次热震的试样中,发现位于边缘处的粗裂纹之间也存在有细小的裂纹,根据裂纹的粗细情况可以判断,这些细裂纹的出现较周围的粗裂纹晚,还没有来得及扩展,在此称为二次裂纹。二次裂纹的出现是随着热震次数的增加,在涂层中积累的能量也越来越多,在通过已有的裂纹生长来释放能量的同时,还需要开辟新的途径来释放能量,之所以在中心会较早出现二次裂纹,是因为在热震时涂层的中心部位承受了更大的热冲击,更快的积累起能量,而在边缘部分所承受的温度梯度较为缓和,所以边缘部分二次裂纹出现的较晚,数量也较少,但随着热震次数的增加,边缘部分的能量积累到一定程度,也会促使二次裂纹的出现。中心与边缘的二次裂纹出现时间及数量的不同会导致中心部位的龟裂裂纹所围起来的多边形面积小于边缘裂纹所围起的多边形面积,随着热震次数的增加,这种差异会越来越小。较高的龟裂裂纹密度在一定程度上可以提高涂层的抗热震性能,因为龟裂裂纹可以降低面层与次表层之间的不匹配度[5-7]。

3 结语

由于热震所产生的龟裂裂纹首先会出现在涂层温度变化最大、最剧烈的部位,然后以此为中心向四周扩展,最终到达涂层边缘,随试样位置及热震次数的不同,表面裂纹存在显著不同。除主裂纹外,会产生二次裂纹,二次裂纹的出现是为了能更快释放所积累的能量,二次裂纹最早出现在温度变化最剧烈的热震中心部位,并且数量也多,使得热震中心部位裂纹所围成的多边形面积较小,但是随着热震次数的增加,中心部位与周围多边形的大小差异逐步减小。同时,主裂纹与二次裂纹的宽度存在差异。

[参考文献]

[1]钟儒昆.热障涂层的等离子喷涂工艺[J].武汉造船, 1999(3):29-32.

[2]张学忱.功能梯度材料在热障涂层活塞上的应用研究[J].长春光学精密机械学院学报,2001,24(4):6-10. [3]沈金文,吕广庶,马壮,等.在热震试验中热障涂层的裂纹形成和扩展[J].新技术新工艺,2002(4):39-41.

[4]L iu Y,P ersson C,M elin S.F racture mechanics analy sis of micro cracks in ther mally cy cled thermal bar rier coating s [J].T her mal Spray,2003.

[5]Basu S.N,Y e G,Cu C,et al.P lasma sprayed coating s w ith eng ineered micro st ruct ur es[J].T hermal Spray,2003.

[6]M ifune N,H arada Y,Doi T,et a l.H ot cor ro sion be-havio r of g raded thermal bar rier co atings for med by plasma spray ing pro cess[J].T hermal Spr ay,2003.

[7]Ahmaniemi S,T uominen J,V ippola M,et al.Charac-terization of modified thick ther mal bar rier coat ing s[J]. T her mal Spray,2003.

作者简介:柳彦博,北京理工大学材料科学与工程学院研究生,从事表面涂层技术研究。

收稿日期:2006年5月8日

责任编辑 吕德龙

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