熱障涂層的失效機制研究

陳玉祥 江文(西南石油大學,四川 成都 610500)

熱障涂層的失效機制研究

陳玉祥 江文(西南石油大學,四川 成都 610500)

本文對熱障涂層的失效機制的研究進展進行了綜述，文中主要總結了熱障涂層失效的幾種形式，并對其壽命研究進行了展望。

熱障涂層;失效機制;熱生長氧化物;熱疲勞;涂層

熱障涂層是將具有耐高溫、低導熱、抗腐蝕優點的陶瓷材料與金屬基底形成的復合涂層，其能夠降低金屬材料表面的溫度，能夠通過降低油耗來改善發動機的性能、還能提升復合金屬基體材料的抗高溫抗氧化腐蝕[1]。熱障涂層主要包括三種結構形式分別是雙層、多層以及梯度，而其中表層為陶瓷層，底層為黏結層的雙層結構熱障涂層應用是最廣泛的。但是熱障涂層的高溫失效問題一直困擾著涂層在各領域的應用，影響到金屬材料遭受腐蝕，為提高金屬基體材料在高溫下抗氧化抗腐蝕的能力，提高涂層在苛刻環境中的進一步使用，延長涂層的使用壽命，研究熱障涂層的失效問題已成為防腐界的熱點之一。

1 熱生長氧化物(TGO)

熱障涂層在制備過程中，涂層內部會形成復雜的界面形貌，高溫時粘接層將發生氧化現象，出現熱生長氧化物[2]。一般具有雙層結構的熱障涂層表層為陶瓷層，底層為黏結層。陶瓷層主要是用來隔熱，黏結層能夠提高金屬基體的抗腐蝕能力。熱障涂層循環氧化和等溫氧化的失效機理證實，TGO的增長導致了底層粗糙度較大，面層厚度較薄的區域產生應力集中，促使裂紋的產生并隨之擴展，這是致使涂層失效的最主要因素。

2 應力引起的失效

當在制備熱障涂層以及其在工作過程中均會產生不同形式的應力，導致涂層會在各種應力的綜合作用下以脫落、減薄等方式失效。應力的產生主要發生在2個階段。

(1)涂層在制備過程中，制備涂層的材料形狀、熱膨脹系數的以及材料之間的溫度梯度都會產生一定的應力。甚至在噴涂過程中不同材料有著不同的性質，而噴涂時的預熱過程及在不同材料上面噴涂的厚度均會在一定的程度上影響涂層的最后應力分布情況，同時陶瓷層材料及厚度、基材及噴涂工藝對熱障涂層壽命均有較大影響，應力對較薄陶瓷層有影響，最終在各種材料的應力綜合作用之下，導致涂層的失效。因此通常來說合理釋放應力可以有效提高涂層耐用性。

(2)涂層在工作時熱生長物的生長狀態、陶瓷與金屬層的燒結蠕變等情況都會產生一定的應力。當熱生長物在生長時，其內部會產生很大的應力，甚至有時會達到好幾個GPa，如此大的應力自然會導致生長物內部產生比較大的裂紋，從而導致熱障涂層體系發生失效。根據相關文獻報道，應用有限元模擬方法輔助分析界面屈曲、高溫蠕變、界面氧化等因素對熱障涂層應力場分布的影響發現，隨著服役時間的延長，涂層內部應力逐漸增大，在熱生長物與涂層界面處形成橫向裂紋，最終貫穿導致涂層脫落[3]，致使涂層失效。

3 高溫燒結與熱疲勞

熱疲勞是指熱障涂層在工作時經過了多次的加熱、保溫、冷卻的過程，其在熱應力多次循環作用后會產生一定的損傷，以致其被剝離的現象。研究熱疲勞破壞的主要方法是利用電阻爐、電磁感應或激光等方式加熱試樣，保溫相當一段時間；然后用水或壓縮空氣來冷卻樣品，用來模擬熱障涂層的真實服役環境。根據相關熱障涂層研究學者對熱疲勞的產生及裂紋擴展過程的研究表明，熱疲勞與高溫燒結是使熱障涂層失去作用的關鍵因素之一。熱障涂層高溫燒結與熱疲勞是評價涂層強度及壽命的關鍵指標和重要參數之一。由于涂層很薄及氧化對壽命的影響較大，所以目前金屬材料的壽命預測模型不完全適合。

研究表明，熱障涂層由陶瓷層、粘結層以及熱生長氧化層等組成，在熱疲勞生長階段,氧化層的厚度較小，在余弦形界面中部偏上位置附近，由于剪切應力的作用，在該位置容易萌生剪切應力主導的Ⅱ型橫向微裂紋，伴隨著循環次數的增多，氧化層厚度也會有所增大，同時在法向拉伸應力的變化下，界面附近的微裂紋會向陶瓷層里面擴展，最終引起陶瓷表面層的剝落，導致涂層失效[4]。

4 熱障涂層的壽命預測與展望

熱障涂層在很多領域應用都極其廣泛，在其所有性能中，涂層的使用壽命是使用該涂層的最關鍵。研究預測熱障涂層的使用壽命可以說是腐蝕界的一大課題。熱障涂層的高溫失效問題一直都是人們關注的課題[5]，分析涂層的失效機理，改善與創新涂層的制備工藝，探索新型熱障涂層材料，豐富并完善涂層壽命預測體系，對提高熱障涂層的綜合性能和工作壽命都有重大的意義。

根據國內外相關報道和研究表明，熱障涂層未來的研究主要往以下幾個方面擴展:

(1)選擇性能更好的相關材料，提高熱障涂層綜合性能，對于涂層在1400℃及其以上的高溫熱障涂層材料體系更多的研究；

(2)開發出新型高性能熱障涂層的制備技術，探求更完善的性能檢測機制，準確預測涂層使用壽命；

(3)新一代長壽命熱障涂層的制備技術研究，進一步完善制備方法，改善制備方法中存在的不足，加大先進技術方法對涂層的表征[6]。

[1]鄭蕾,郭洪波,郭磊,等.新一代超高溫熱障涂層研究[J]..航空材料學報,2012,(06):14-24.

[2]郭洪波,宮聲凱,徐惠彬.新型高溫/超高溫熱障涂層及制備技術研究進展[J].航空學報,2014,(10):2722-2732.

[3]郭洪波,宮聲凱,徐惠彬.新型高溫/超高溫熱障涂層及制備技術研究進展[J].航空學報,2014,(10):2722-2732.

[4]張而耕,陳強,黃彪,等.熱障涂層材料制備及失效機理的研究進展[J].陶瓷學報,2016,(01):5-10.

[5]齊紅宇,馬立強與李少林,等離子熱障涂層構件高溫熱疲勞壽命預測研究[J].材料工程,2014,(7):67-72.

[6]張而耕,陳強,黃彪,等.熱障涂層材料制備及失效機理的研究進展[J].陶瓷學報,2016,(01):5-10.