论文部分内容阅读
针对先进发动机进口温度不断提高的要求，热障涂层(TBCs)的研究开发已是必然趋势。目前，研究的重点是如何进一步延长TBCs的使用寿命，提高其耐热温度，降低制造成本。提高热障涂层粘结层的高温抗氧化性能、降低陶瓷层的热导率和提高陶瓷层的抗剥落能力成为关键。本论文采用爆炸喷涂(D-gun)工艺制备以MCrAlY为粘结层，空心氧化锆陶瓷层(HSP-YSZ)为陶瓷面层的热障涂层体系，系统研究了MCrAlY粘结层的抗氧化性能，HSP-YSZ陶瓷层的组织结构和热导率，探讨了D-gun热障涂层体系的抗热冲击性能及其失效机理。在此基础上设计和制备了一种提高热冲击寿命的热障涂层体系，即电弧离子镀/爆炸喷涂(AIP/D-gun)复合工艺制备的HSP-YSZ热障涂层。
研究结果表明：爆炸喷涂NiCrAlY涂层在1100℃恒温氧化动力学曲线符合抛物线规律，表面生成α-Al2O3和Cr2O3保护膜；真空热处理中，涂层晶粒长大，阻碍了涂层中Al元素的选择性氧化，合金基体中的Ti向涂层表面扩散，TiO2的形成破坏了Al2O3、Cr2O3表面氧化膜的保护性，氧化膜发生开裂和剥落，大量次生NiO的出现，加速了氧化进程，降低了涂层的抗氧化能力。
空心粉末颗粒分布在较窄的粒径范围内有利于制备得到结合强度高、气孔裂纹均匀分布的热障涂层，制备的HSP-YSZ陶瓷层具有更优的抗热冲击寿命。HSP-YSZ陶瓷层微裂纹分布均匀，具有较高的气孔率(～10％)。与喷涂前的空心粉末比较，HSP-YSZ陶瓷层的相结构更利于涂层的结构稳定。HSP-YSZ陶瓷层具有低的热导率，为0.8-1.2W/m-K，可获得较好的隔热效果。
对D-gun热障涂层进行了1100℃←→室温水淬冷却的热冲击循环实验，结果表明：D-gun热障涂层的失效与粘结层氧化在界面形成富Ni、Cr氧化物密切有关。在热冲击循环过程中，陶瓷层和粘结层界面处形成了起伏的热生长氧化物(TGO)，以及随后界面处孔洞的形成，削弱了YSZ/TGO界面的结合强度，导致YSZ/TGO界面的最初破坏；进一步热冲击循环中，粘结层Al贫化，Ni、Cr开始发生氧化，富Ni、Cr的氧化物更多在YSZ/TGO界面的凸起处形成，由于TGO层与粘结层、陶瓷层的热膨胀失配，界面凸起处的TGO层经受拉应力，冷却过程中容易引起孔洞和裂纹在此处萌生并扩展，导致涂层发生化学失效；同时，空心陶瓷层内横向裂纹和纵向裂纹的串连合并引起层状结构的部分陶瓷层剥落失效。
相比于爆炸喷涂NiCrAlY粘结层的高温氧化性能，AIP制备的NiCoCrAlY型粘结层对合金起到更好的抗氧化保护作用。1100℃下Ni-32Co-20Cr-10Al-0.5Y-1Si-0.03B涂层具有最优的保护性，涂层中Al含量从8％增加到10％有利于提高涂层的抗氧化能力。
粘结层抗氧化性能直接影响着热障涂层的使用寿命。不同于D-gun热障涂层的失效方式，AIP/D-gun热障涂层的失效寿命很大程度取决于涂层中形成一定临界尺寸的裂纹。AIP/D-gun热障涂层的剥落失效发生在TGO中或粘结层/TGO界面，TGO氧化膜仍粘附在陶瓷层上；陶瓷层与粘结层界面处的缺陷导致陶瓷面层发生层状剥落。