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噴涂機涂層熱循環失效機理分析

  噴涂機發動機葉片等熱端部件的表面熱障涂層工作環境極為惡劣,不斷經歷加熱、冷卻的熱循環交替過程,承受著各種應力的反復沖擊作用隨著服役時間的延長以及循環次數的增加,涂層中的應力和能量逐漸累積,當達到一定程度時,涂層發生失效。影響涂層失效的因素有很多,主要因素包括以下幾個方面:

  1.界面形貌的影響

  等離子噴涂熱障涂層的面層與黏結層間的界面較粗糙,粗糙的界面一方面增加了涂層與基體之間的嚙合作用,使涂層與基體的結合更為緊密;但同時粗糙的界面又是應力最容易集中的地方,很容易引起涂層的開裂,直至失效。準確的界面形貌是建立涂層模型的關鍵。由于涂層中面層與黏結層界面基本呈現出近似正弦的關系,所以正弦或近似正弦分布的界面模型得到了廣泛的應用。Busso等人的研究表明,隨著界面形貌的幾何形狀因子ba(圖1-7)的增加,對應的涂層應力集中程度加大。

  2.TGO相變與蠕變

  熱障涂層中陶瓷層的主要材料為YO部分穩定的zO(簡稱為YSZ),由于YSz具有大量的氧離子空位,加之陶瓷層內大量孔洞裂紋等缺陷的存在,加速了高溫下氧的傳輸,引起MAN黏結層氧化(M為合金元素),在陶瓷層與黏結層之間形成了TGO層。TG的形成主要是因為一方面氧通過陶瓷層向黏結層傳輸,另一方面黏結層中的N、A、cr等元素向陶瓷層擴散,在面層與黏結層界面處,N、A、c等元素與氧發生化學反應,生成TGO。隨著保溫時間的延長,TGO的厚度不斷增加,生長速率不斷下降。TGO的生長方式有兩種,一種是向外(陶瓷層方向)生長,另種是向內(黏結層方向)生長,但主要生長方式還是內生長。

  一些學者建立了TGO生長的動力學模型,其中比較典型的是TGO厚度h隨時間t、溫度θ變化的模型。TG的相變過程促使材料的體積發生膨脹,而膨脹不能自由發生,于是在TG○內部產生了較高的相變應力。材料的髙溫蠕變效應使TGO的相變應力得到了一定的松弛。蠕變是指在一定的溫度和載荷作用下,不可恢復的應變隨時間的變化持續增加的現象。

  TGO產生的相變過程中,TGO內部的壓應力值可以達到1GPa左右。在涂層冷卻之前,由于TGO與黏結層之間的熱膨脹系數不匹配,進一步增加了TG內部的壓應力。另外,陶瓷層與黏結層的高溫蠕變效應也加劇了TGO的內部應力狀態變化的復雜性。在涂層高溫熱氧化試驗中,隨著TG○生長厚度不斷增加,TG○內部的應變能迅速累積,從而引起TG○的失效。 Trunova等人的研究表明,在TGO高溫生長過程中,TG○內部開裂是熱障涂層高溫失效的主要形式。

  3.陶瓷層燒結作用

  陶瓷層內含有大量的孔洞、裂紋等缺陷,在高溫作用下陶瓷層發生燒結而變致密,體積收縮,彈性模量増大。陶瓷層彈性模量増大導致涂層中應力增加。隨著高溫保溫時間的延長,等離子噴涂熱障涂層中陶瓷層的彈性模量逐漸増大,増大的速率逐漸減小,保溫一定時間以后,彈性模量基本不再發生變化。有限元計算結果表明,隨著保溫時間的延長,TGO不斷變厚,陶瓷層內法向應力也逐漸增大,考慮燒結作用的陶瓷層內法向應力要遠大于不考慮燒結作用的陶瓷層內的法向應力。

  4.熱應力作用

  隨著高溫保溫時間的結束,涂層冷卻并收縮,但由于涂層各個部分之間的約束以及外在約束的作用,收縮不能自由發生,于是在涂層內部產生了熱應力,熱應力是促使涂層失效的重要原因。由于影響涂層熱應力的因素很多,所以很難精確計算涂層實際的應力狀態。

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