热障涂层的界面形貌对TGO层生长行为的作用机制
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（1．西安航空学院 材料工程学院，西安 710077；2．西安交通大学 金属材料强度国家重点实验室，西安 710049；3．吴忠仪表 有限责任公司，宁夏 吴忠 751100）
摘要：通过对陶瓷层/粘接层界面应力和热生长氧化物（thermally grown oxides，TGO）层的生长规律分析，研究涂层 界面凸起对 TGO 生长行为的作用机制。结果表明：TGO 在陶瓷层/粘接层界面凸起区域的生长速率高于其他区 域；由 ANSYS 有限元软件应力分析可知，随着界面粗糙度的增加（10 μm 增至 20 μm），涂层的界面应力增加（185 MPa 增到 406 MPa）；TGO 层的厚度增加（1.6 μm 增至 9.3 μm）同样会使界面应力增加（142 MPa 增大到 574 MPa）；此 外，在高温氧化过程中，陶瓷层/粘接层界面凸起区域主要表现为拉应力，凹陷区域为压应力；拉应力能够促进 TGO 层的快速生长，压应力则会抑制 TGO 的生长速率；在保证涂层有效结合强度的前提下，降低粘接层的表面粗 糙度，能够有利于降低涂层的界面应力以及减缓 TGO 的生长速率，从而提高热障涂层高温稳定性。 关键词：热障涂层；界面形貌；界面应力；TGO 生长行为 doi：10.11868/j.issn.1005-5053.2019.000081 中图分类号：TG174.4 文献标识码：A 文章编号：1005-5053(2019)05-0113-07
(a)
(b)
20 μmHale Waihona Puke Baidu
100 μm
200 μm
Coating YSZ NiCoCrAlY
图 1 原料粉体形貌图 （a）NiCoCrAlY 粉末；（b）亚微米团聚体 YSZ 粉末 Fig. 1 Morphology of raw material powder （a）NiCoCrAlY powder；（b）YSZ powder
1 实验材料及方法
1.1 实验原料 基体为 GH4169 高温合金，试样为两端半球形
114
航 空 材 料 学 报
第 39 卷
的圆柱，其尺寸设计为 ϕ15 mm × 35 mm，两端半球 形半径为 7.5 mm。喷涂前用丙酮超声清洗，去除 试样表面的油污，再用金刚砂对基体表面进行喷砂 处理，以提高基体与涂层的结合强度。合金粘接层 粉末为商用 NiCoCrAlY 合金粉末，陶瓷层喷涂用 粉末为 8%（质量分数，下同）Y2O3 部分稳定的亚微
米团聚体 YSZ 粉末，其形貌如图 1 所示。 1.2 涂层制备
采用超音速等离子喷涂（supersonic atmospheric plasma spray， SAPS） 分 别 制 备 涂 层 的 粘 接 层 （NiCoCrAlY）和陶瓷层（YSZ），厚度分别为 80 μm 和 200 μm，具体喷涂参数如表 1 所示。
收稿日期：2019-05-28；修订日期：2019-06-22 基金项目：陕西省教育厅科学研究项目（18JK0409） 通讯作者：唐健江（1984—），男，博士，工程师，主要研究方 向 为 先 进 功 能 涂 层 与 薄 膜 ， （ E-mail） Tangjianjiang@xaau. edu.cn；刘艳玲（1974—），女，高级工程师，主要研究方向为 阀门设计与表面保护，（E-mail）LYL@wzyb.com.cn。
由上述可知，TGO 的生长速率和陶瓷层与粘 接层的界面形貌在很大程度上影响着 TBCs 涂层的 高温稳定性和热循环使用寿命。本工作针对陶瓷 层/粘接层界面的 TGO 层生长形貌，利用 ANSYS 模拟软件分析粘接层表面粗糙度及 TGO 厚度对涂 层界面应力的影响，获得涂层的界面应力对 TGO 生长行为的作用机制。
2019 年 第 39 卷 第 5 期 第 113 – 119 页
航 空 材 料 学 报
JOURNAL OF AERONAUTICAL MATERIALS
2019，Vol. 39 No.5 pp.113 – 119
热障涂层的界面形貌对 TGO 层生长行为 的作用机制
唐健江1, 于方丽1, 张海鸿1, 白 宇2, 王俊文2, 刘艳玲3
积膨胀率和较快的生长速率。当 TGO 内的 Al2O3 层保护效果降低或者消失后，其他氧化物会迅速产 生并长大，增加 TGO 的厚度，导致陶瓷层与合金粘 接层界面处生长应力的急剧增大[16]。当 TGO 的生 长应力达到一个临界值时，在涂层内就会导致裂纹 的萌生与扩展，最终引起涂层的剥落和失效。另一 方面，利用热喷涂技术沉积制备涂层时，陶瓷层与 粘接层的界面形貌会存在有一定的粗糙度。而 TBCs 在高温服役时，在合金粘接层表面凸起区域 容易产生应力集中现象，且随着氧化的进行，应力 集中现象会进一步恶化，最终引起涂层的剥落和失 效[7-8, 17-18]。
目前，航空发动机向高流量比、高推重比、高效 率方向进一步发展，使得涡轮燃烧室内的温度越来 越高[1-6]。为使涡轮叶片满足这一严苛的工作环境 要 求 ， 随 之 应 运 而 生 了 热 障 涂 层 （ thermal barrier coatings, TBCs）技术[7-10]。TBCs 的结构主要由陶瓷 层和合金粘接层组成，其中陶瓷层（top coat）起到 隔热、防腐、抗冲刷等作用，而粘接层（bond coat）则 扮演着缓解陶瓷表层与金属基体间热失配和提高 涂层抗高温氧化的角色[11]。
在服役过程中，氧化失效是 TBCs 涂层失效的 主要形式之一[12-13]。这主要是由于在高温条件下， 会在陶瓷层与粘接层之间生成一层热生长氧化物 （ thermally grown oxides， TGO） 。 当 TGO 层 以 Al2O3 为主时，致密的 Al2O3 层能有效抑制其他氧 化物的产生并降低 TGO 的生长速率，对提高热障 涂层的抗高温氧化性能和热循环使用寿命起着有 益 的 作 用 [14-15]。 与 Al2O3 层 的 缓 慢 生 长 不 同 ， Cr2O3、CoO、NiO 和尖晶石等氧化物具有较大的体
摘要：通过对陶瓷层/粘接层界面应力和热生长氧化物（thermally grown oxides，TGO）层的生长规律分析，研究涂层 界面凸起对 TGO 生长行为的作用机制。结果表明：TGO 在陶瓷层/粘接层界面凸起区域的生长速率高于其他区 域；由 ANSYS 有限元软件应力分析可知，随着界面粗糙度的增加（10 μm 增至 20 μm），涂层的界面应力增加（185 MPa 增到 406 MPa）；TGO 层的厚度增加（1.6 μm 增至 9.3 μm）同样会使界面应力增加（142 MPa 增大到 574 MPa）；此 外，在高温氧化过程中，陶瓷层/粘接层界面凸起区域主要表现为拉应力，凹陷区域为压应力；拉应力能够促进 TGO 层的快速生长，压应力则会抑制 TGO 的生长速率；在保证涂层有效结合强度的前提下，降低粘接层的表面粗 糙度，能够有利于降低涂层的界面应力以及减缓 TGO 的生长速率，从而提高热障涂层高温稳定性。 关键词：热障涂层；界面形貌；界面应力；TGO 生长行为 doi：10.11868/j.issn.1005-5053.2019.000081 中图分类号：TG174.4 文献标识码：A 文章编号：1005-5053(2019)05-0113-07
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20 μmHale Waihona Puke Baidu
100 μm
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Coating YSZ NiCoCrAlY
图 1 原料粉体形貌图 （a）NiCoCrAlY 粉末；（b）亚微米团聚体 YSZ 粉末 Fig. 1 Morphology of raw material powder （a）NiCoCrAlY powder；（b）YSZ powder
1 实验材料及方法
1.1 实验原料 基体为 GH4169 高温合金，试样为两端半球形
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的圆柱，其尺寸设计为 ϕ15 mm × 35 mm，两端半球 形半径为 7.5 mm。喷涂前用丙酮超声清洗，去除 试样表面的油污，再用金刚砂对基体表面进行喷砂 处理，以提高基体与涂层的结合强度。合金粘接层 粉末为商用 NiCoCrAlY 合金粉末，陶瓷层喷涂用 粉末为 8%（质量分数，下同）Y2O3 部分稳定的亚微
米团聚体 YSZ 粉末，其形貌如图 1 所示。 1.2 涂层制备
采用超音速等离子喷涂（supersonic atmospheric plasma spray， SAPS） 分 别 制 备 涂 层 的 粘 接 层 （NiCoCrAlY）和陶瓷层（YSZ），厚度分别为 80 μm 和 200 μm，具体喷涂参数如表 1 所示。
收稿日期：2019-05-28；修订日期：2019-06-22 基金项目：陕西省教育厅科学研究项目（18JK0409） 通讯作者：唐健江（1984—），男，博士，工程师，主要研究方 向 为 先 进 功 能 涂 层 与 薄 膜 ， （ E-mail） Tangjianjiang@xaau. edu.cn；刘艳玲（1974—），女，高级工程师，主要研究方向为 阀门设计与表面保护，（E-mail）LYL@wzyb.com.cn。
由上述可知，TGO 的生长速率和陶瓷层与粘 接层的界面形貌在很大程度上影响着 TBCs 涂层的 高温稳定性和热循环使用寿命。本工作针对陶瓷 层/粘接层界面的 TGO 层生长形貌，利用 ANSYS 模拟软件分析粘接层表面粗糙度及 TGO 厚度对涂 层界面应力的影响，获得涂层的界面应力对 TGO 生长行为的作用机制。
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2019，Vol. 39 No.5 pp.113 – 119
热障涂层的界面形貌对 TGO 层生长行为 的作用机制
唐健江1, 于方丽1, 张海鸿1, 白 宇2, 王俊文2, 刘艳玲3
积膨胀率和较快的生长速率。当 TGO 内的 Al2O3 层保护效果降低或者消失后，其他氧化物会迅速产 生并长大，增加 TGO 的厚度，导致陶瓷层与合金粘 接层界面处生长应力的急剧增大[16]。当 TGO 的生 长应力达到一个临界值时，在涂层内就会导致裂纹 的萌生与扩展，最终引起涂层的剥落和失效。另一 方面，利用热喷涂技术沉积制备涂层时，陶瓷层与 粘接层的界面形貌会存在有一定的粗糙度。而 TBCs 在高温服役时，在合金粘接层表面凸起区域 容易产生应力集中现象，且随着氧化的进行，应力 集中现象会进一步恶化，最终引起涂层的剥落和失 效[7-8, 17-18]。
目前，航空发动机向高流量比、高推重比、高效 率方向进一步发展，使得涡轮燃烧室内的温度越来 越高[1-6]。为使涡轮叶片满足这一严苛的工作环境 要 求 ， 随 之 应 运 而 生 了 热 障 涂 层 （ thermal barrier coatings, TBCs）技术[7-10]。TBCs 的结构主要由陶瓷 层和合金粘接层组成，其中陶瓷层（top coat）起到 隔热、防腐、抗冲刷等作用，而粘接层（bond coat）则 扮演着缓解陶瓷表层与金属基体间热失配和提高 涂层抗高温氧化的角色[11]。
在服役过程中，氧化失效是 TBCs 涂层失效的 主要形式之一[12-13]。这主要是由于在高温条件下， 会在陶瓷层与粘接层之间生成一层热生长氧化物 （ thermally grown oxides， TGO） 。 当 TGO 层 以 Al2O3 为主时，致密的 Al2O3 层能有效抑制其他氧 化物的产生并降低 TGO 的生长速率，对提高热障 涂层的抗高温氧化性能和热循环使用寿命起着有 益 的 作 用 [14-15]。 与 Al2O3 层 的 缓 慢 生 长 不 同 ， Cr2O3、CoO、NiO 和尖晶石等氧化物具有较大的体