热障涂层材料性能和失效机理研究进展

那么
成 的 热 生 长 氧化 层 主 要 消耗 过渡层 中氧 化 忆
,
线段 ④和 ⑤表 示 的相平衡 状 态 可 以用
述 相 平 衡 理 论研 究 表 明
一
和
描
够 大 氧化忆块 体 融 合到 热 生 长氧 化 层 中时 融 合 区 厚
度 迅 速 增 加并产 生 缺 陷 氧化 忆 与 周 围氧化 铝 反应还
服 役 寿命 预计 模 型 和 评 价标 准 等
关键 词
热 障涂层
,
热 生 长氧低 屈 曲
,
层 离 服 役寿 命 微 组 织
,
,
,
能 量释放率
引
言
,
热 障涂 层 材 料 系 统
热 障涂 层 材 料 系统 由
、
、
热 障涂 层 材 料 系 统
层 和 承 受 机 械 载 荷 的 合 金 基底 组 成
, ,
,
间 的 关 系 由铝 活 性 系数 粗
,
散 到基底 中在 口 晶 粒 晶界 上 形 成 丫 相 固 溶体 热 生 长 氧化 层 与 过 渡层 的界 面 是 影 响 材 料 性 能
的一 个 关 键 因 素
即
粗
‘
向该 界 面 扩 散 的 砷 元 素 和 其 它 元
、
素 可 以 使其脆 化 并 降低 界 面韧性
一
式
与
‘
“
,
元 素 的 目的 正 是如 此 铂 氧 化 铝 过 渡 层 对砷元 素 扩
一
散 阻 力 较 大 并 不 含 吸 收 砷 元 素 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 物质 热 周 期 环 境
下 表 现 出 比镍钻 铬 铝 忆 过 渡 层 更 好 的 耐 久 性 【
,
,
热 生长 氧化 过程 主 要 涉及 化学 反 应 过 程 分 别 为
司
过 渡 层 是 热 障涂 层 材料 系统 重 要 的组成基 元
、
,
渡层 的 柱 状 晶 的 区 域 邻 陶瓷 涂 层 的 等 轴 区 域
一
另一 个 是 毗
‘ 降
其 化学 成 分 和 微组 织决 定 了 热 生 长 氧 化 层 的形 成 机
制 成 分 和 微结构 从 而 确 定 了 整 体材料性 能 和 耐 久
衡状 态 线 段 ①
个 相 平 衡 状态 图
一
其
合金 间 的相 平
热 生 长 氧化
物 理 现 象及 热 力 学 描 述 近 几 年 的 研 究 对 生 长氧 化 机 理 的 本 质有 了 新 认
识 阳
叮 与
一
、
合金 间 的 相 平 衡 状态 线段 ② 叮
热 生 长 氧化 过程 由热 障涂层 材料系统 中离子
的残 余 压 应 力
一
,
涂层 各个 急冷 薄 片
间形
热生
成 孔 洞 和 裂 纹 状 的孔 网 同 样 可 以 使 涂 层 获 得 足 够 的 应变韧 性 和 较 低 的热 传导性 图
热 生 长 氧 化 层 是 影 响 热 障 涂 层材料 热 力 学 性 能
和 耐 久 性 的 关 键 因素
。 一
,
,
长 氧 化 层 增厚 过 程 中其本 身 也 产 生 应 力 降
涂 层 材 料 能 否 在工程 中推 广 应 用 并 在 未 来材料科学
迅 猛 发 展 时 代 迎 接面 临 的 新机 遇 和 新挑 战 取 决 于 能 否 建立 一 整 套 以 实 际 需 求 为 背 景 对材料制 备 工 艺 和
, ,
,
热 障 涂 层 是 陶 瓷 氧 化 物材 料
和变形柔韧性
、
,
之 间 形 成 的 以 氧 化 铝 为主 要 物 质 成 分 的 热 生 长 氧 化
层 仕
度 减 弱 向基底 的 传热 在热 周 期载 荷 环 境 下 涂 层
与 基底 间可 以 存在 一 定 温 度 差 使 合金 基 底 工 作 温 度
,
陶瓷涂层 是 隔 热
,
材料
过 渡 层 上 生 成 的 热 生 长 氧 化 层 是 过 渡 层 中活
’
,
材料在 高
过渡层 的
镍 活 性 系数 与镍
方 程确 定
,
、
铝 氧 化性 的 关 系 由
一
即
, ,
温 环 境 中砷 元 素 从 合 金 中 向 该 界 面 扩 散
部 分组 成 元 素 可 以吸 附 大 部 分砷元 素
, ,
从 而 削弱 了
‘
,
界 面 的脆化现 象 例 如 镍钻铬 铝忆 过 渡层 中添 加忆
有 良好 的 绝 热性
固 溶体忆 部 分 稳
研究 表 明
定氧 化 错 陶 瓷材 料 热 障涂 层 最 通 用 的 陶 瓷 材 料 备 必 须 考虑 材 料 的应 变韧性
配 产 生 的 瞬 态 层 离现 象
, ,
具 有低 热 导 性
,
物 理 性 能进 行 综合 评 价 和 分 析 的方法
、 、
‘一 ‘
,
和 沉 积 条件 可 使 陶 瓷 涂 层 具 有 多 尺 度 孔 洞 柱 状 晶 微
层
这 种物 质 具 有氧 可 以 明显 改 善材
,
这 种 微 结构 拥 有 良好 应 变 韧 性 和 较 低 热 传 导
,
离 子 扩 散 率 低 和 附着 力 强 等 特 点
性
、
图
大 气 压 等离 子 体 喷 涂
‘ 一‘
一 一
,
叮
和
卜
,
叮
、
合金
和
三 相 间 的平 衡 状态
线段 ①
②和 ⑤的交 点
机制 表 明
相 氧化 铝 的 微 组 织 是针 形 晶体
随后
一
刘
,
并在
相 结构转化 过 程 中维持不 变
生长过 足
叮
叮
,
程 不 受先 前 相结构 转化 影 响 镍 钻铬 铝 忆 过 渡 层 上 生
如 果 镍 和 铝 的 活 性 在 氧 化 过 程 中发 生 了 变 化
能形 成忆
一
过 渡层 中铝 活 性 大 于
铝氧化 物 生 长 层 陶 瓷 涂 层 使热 生 长 氧化
一 个是 毗 邻过
时 化学 反 应
,
是 主 要 相 变 机 制 这 个热力
层具有
种微 观 组 织 明 显 不 同 区 域
的主 要 内容
,
,
,
采 用 不 同工 艺 沉 积 的 陶瓷
】
一 一
涂 层 可 以具 有 不 同微 结 构 获 得 良好 的 应 变韧性 电
收稿 日期 国 家 自然科学基 金
,
资助项 目 惠允版 权 缩 译 此 文
, ,
介
,
,
,
,
、
,
。
子束 物理 气 相沉积
工艺
, ,
一
饰
,
素 离 子 扩 散 规 律 设 计 的合 金 过 渡 层 含 有 铝 元 素
司 靡票雾 」 啄赢 夏
热障涂层 材 料 系统 的组成基 元 与功 能
瑟 嘿赣
图
尺 度 孔 洞柱状 晶 微 结构
辫髯为从
拼
电子 束 物 理 气 相沉 积 工 艺 制 备 的 热 障涂 层 材 料 具 有 多
图
空 气 等 离 子 体 喷涂 工 艺 制 备 的 热 障 涂 层 材 料 具 有 币状
多层重叠 式微 结构
低热导 率 高应 变韧性 性 稳 定 的微 结构 构 化 学 兼 容性 性
尺 度变 化
。一
厚 度 尽 可能 小 晶相 组织均 匀 微 缺陷可控 控 与 过 渡 层 结合 强 度高 高
过 渡层 “
藏
图
’
’
守 ’丫
十
含形成
化学 均 匀 性 的 主 要元 素 尽 可 能少 的 层 离 良好蠕变 和 屈 服性 能
一 般小 于
,
其值 热生
但对材料性 能 的 影 响 很 明 显
、
拼
, ,
长 氧 化 层 的 厚 度 通 常仅 为 失效 的机 制
其 中积 蓄 的
。 一
根据 热 力 学 平 衡
应 变 能 密度 可 以 相 当高 足 以 诱发 各 种使材料破坏 和
原 理 和 材 料 动 力学原 理 哪
充 分 考 虑 材料 成 分 和 元
【
‘、“
为 进 一 步 开 发热 障涂层材 料 在 推
, ,
循 环 载荷作 用 下 各 材料 基 元 间 遵循动力学原 理 相 互
作用 以 动 平 衡方 式 控 制 整 体 材料 的 热 力 学 性 能 和 使 用 寿命
,
进 器 和 发 电厂 涡 轮机 等装 置上 的应 用 潜 力 在材料 设
计 和 制 备 中应 充 分 考虑 实 际 应 用 需 求 事实 上 热 障
料抗 氧化失效功 能 起到对合 金 基底 的 防护 作 用 当 整 个 材料 系统 从 高 温 工 作状 态 冷 却到 常温 环 境 时
生产 大小 为
、
盯 工艺
是 一 种低 成 本制 备
方法 控 制 工 艺 条件 可 使 陶 瓷 涂 层 获 得 币 状 多层 重 叠 式微 结构
涂 层 与 基 底 间 的 热 膨 胀 失 配 现 象在 热 生 长 氧 化 层 中
、
扩展及 相 互 连 通 结果 的 人们对 其性 能有 了充 分
由于 特 殊制备 工 艺 和 使 用 环境 综 述 近 几年 的研 究 结 果
,
材料性 能 涉 及 到 许 多 特 殊机制
,
内容 包 括
热 生 长氧化 现 象 及 其 热力学描述
热 生 长应 力与材料失 效 的联 系
材料
、
破坏 机 理 与性 能控制 参 数 和 材料微组织 的联 系 微 缺 陷演 化 产 生 的材料 屈 曲和 层 离所 需 的能 量释 放 率 破 坏准 则
层 离破坏 前 热 生 长 氧 化 层 的
,
扩 散 机 理 所控制 图
与
卜
合金 间 的 相 平 衡状 态 线段 ③ 叮
厚 度 基 本 上 遵循 抛 物 线规律
“
即
称
一
、
这里
,
,
分别 为 氧 化层厚 度
,
扩 散 时 间 和 扩 散系
合金
,
、
和
三 相 间 的平 衡 状 态
数
一
的形 成 和 生 长 主 要 是通 过 阴 离 子沿 物
图
,
,
见
‘
是 从 锭 块 上 蒸 发 陶 瓷 氧 化物
高温 环 境 下 多 孔 介 质氧化错 陶 瓷 涂 层 是 氧 的 良
一
再 沉积 到预 热 工 件 表面 上 形 成涂 层 结构
控 制 工 艺参数
导 体 氧 通 过 陶 瓷 涂 层 向过 渡层 扩 散 与 过 渡 层 中 的 铝 元 素在 界 面 处 形 成
实验 观
察 到镍钻 铬 铝 忆 涂 层 的 等 轴 区 域 中 含 有 纳 米 级 铁 和
性
此 外 材 料 性 能还 与其 蠕 变 和 屈 服 特 性 有 关
一
,
铬 阳 离 子 氧 化 物 杂质
工
铂
一
氧 化铝 过 渡层 的 等 轴 区
低 压 等 离子 体 喷 涂
盯 或丫
一
域 由氧化错 和 氧化 铝 混 合 物 组 成
用 热 力学 相 平 衡 图 可 以 解 释 热 生 长 氧 化 过 程 中
艺常用 来制 备 尽
,
和 固溶体 乍
两相
守
物 质 组 成 的镍钻铬 铝 忆
生 长氧 化 层 的 结 合 强 度
。、
一
过 渡层
丫
各 氧化物 的相 稳定性
一 个热力 学 相 平 衡 图 【
图
,
是
一
卜
,
材料 系 统 的
,
物 质相 中有 多种元 素 添加 低 浓 度 忆元 素 可 以 改 善 热
采 用 电镀 工 艺
,
描述
和 镍 活性
】 通
氧 化物 和
是 纵 坐标
一
合 金 间 的相 平 衡 关 系
铝 活性
其中氧 活 性
分 别 是横 坐
过 扩散 铂 元 素 也能 形 成 铂
氧化 铝 过 渡 层 其 金 相组
在 高 温 环 境 下铝元素扩
,
织 是 典型 尽 铂单相 固 溶体
标 铝 活 性 与 氧化性 确定
线段 ①
②和 ④的 交 点
质 晶 界 扩 散 扩 散 系 数 娜 受 阳 离 子 扩 散机制 和 温 度
影 响 热 生 长 氧 化层 的 外 延 生 长 规律 受氧化 铝 中 阳 离 子 浓 度影 响 口 相 氧 化 铝 物质 物质 存在 时 “ , 】 铝元 素 外 延 生 长 首先 形 成 然 后 转变 成 罗
个材料 基 元 构成 图
以 及 在 陶 瓷 涂层 与 过 渡 层
,
一 般 由具 有 一 定厚 度 和 耐 久 性 的 绝 热 陶 瓷 涂
即 陶 瓷 涂 层 超 合 金 基 底 基底 与 涂 层 间 含 铝 元 素 的 过 渡层
,
陶瓷涂层 的主
,
要 功 能 是 在 高 温 载荷 下 形 成 沿 涂 层厚 度 的 高温度梯
降低 提高材料抗 热疲 劳 损 伤 和 蠕 变失效 的耐 久 性
因 此 热 障涂层材 料 逐 渐应 用 在 涡 轮 发 动机 的 一 些 高
,
,
性 物质 与氧 元 素化 学 反 应 的 产 物
,
对 基 底起 抗 高 温
氧 化 防护 作 用 超 合 金 基底 主 要 承 受 机 械 载 荷 在热
温 零部 件 上
第
卷
年
第 期
月
日
力
学
进
展
,
热 障涂 层 材 料 性 能 和 失效 机 理 研 究 进 展
马 维
’
潘文 霞
,
吴承 康 缩译
北京
中 国 科学 院力学研 究所
摘
积累
认识
要
热 障涂 层材料破 坏 由大 尺 度 屈 曲和 层 离机制产 生
,
,
而 这 些 机制又 是 微 裂纹 形 核
近 半个 世 纪 的 研 究
这是未
和 良好 温度 稳定性 的特 点
是 目前沉积
来 设计 寿 命 更 长 工 作 气 体 温 度 更 高 可 靠 性 更 好 的
陶 瓷 涂 层 的设 计 和 制
目 的 是 减 轻热膨 胀 失
新 型 涂 层材 料 的主 要 研 究 方 向 是 更 深 层 次认 识 热障 涂 层材料基本 热 力 学性 能 的研 究 方 法 也 是 本 文 综述