Yttrium和初始表面缺陷對熱障陶瓷系統(tǒng)性能的影響

李峰勛+李振哲

摘 要： 熱障陶瓷系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于渦輪發(fā)動機，用于保護熱端部件，從而提高渦輪發(fā)動機熱效率。首先，分析了Yttrium對熱障陶瓷系統(tǒng)的影響，提出改善熱障陶瓷系統(tǒng)性能的方法。然后，介紹了初始表面缺陷對熱障陶瓷系統(tǒng)的影響，并探討了改進方法。

關(guān)鍵詞： 渦輪發(fā)動機；熱障陶瓷系統(tǒng)；熱生長氧化層

本課題研究由國家自然科學基金（項目編號：51401100）、浙江省自然科學基金（項目編號：LY16E050006）、溫州市科技計劃項目（項目編號：G20150010）資助。

1. 引言

隨著對航空飛機性能要求的不斷提高，對航空飛機渦輪發(fā)動機性能要求也越來越高。其中提高渦輪發(fā)動機的工作溫度是提高性能的最直接有效的方法，這就需要熱端部件具有優(yōu)良的抗高溫條件。研發(fā)新型抗高溫材料不僅需要大量人力和物力，而且研發(fā)周期長。然而，將熱障陶瓷系統(tǒng)（Thermal Barrier Coating System； TBCs）技術(shù)應(yīng)用到渦輪發(fā)動機熱端部件中，則大大提高了熱端部件的使用壽命和發(fā)動機的工作效率[1，2]。

航空飛機渦輪發(fā)動機是以高溫高壓下燃料燃燒的能量為推進力，發(fā)動機部件尤其是暴露在高溫的熱端部件的抗高溫性能會直接影響到發(fā)動機的效率和壽命。例如，為保護燃燒室等熱端部件，熱障陶瓷層廣泛應(yīng)用于航空飛機渦輪發(fā)動機， 熱障陶瓷層承受發(fā)動機工作時的高溫和由發(fā)動機反復啟動而引起的溫度變化，不僅提高了熱端部件的耐用度而且由于工作溫度的升高提升了發(fā)動機的熱效率。熱障陶瓷系統(tǒng)TBCs由以下四層組成：（i）熱障陶瓷層TBC；（ii）耐高溫合金；（iii）用于粘合合金和TBC的粘合層（Bond Coat；BC）；（iv）TBC和BC界面形成的熱生長氧化層（Thermally Grown Oxide； TGO）。

雖然熱生長氧化層對合金金屬有熱屏蔽的作用，但也能導致熱障陶瓷系統(tǒng)的失效[1-3]。

熱障陶瓷層必須能夠承受從高溫到低溫的溫度周期性變化，及由此產(chǎn)生的對涂層的熱疲勞性和熱沖擊性。為了提高涂層的耐熱震性，應(yīng)盡可能使涂層與基體材料具有相近的熱膨脹系數(shù)。實際上，熱障陶瓷系統(tǒng)的失效主要由熱生長氧化層引起，而熱生長氧化層的失效主要由應(yīng)力的累積造成。熱生長氧化層的應(yīng)力由熱生長氧化層和粘合層的不同的熱膨脹系數(shù)[1-4]及高溫中由熱生長氧化層界面方向生長而引起的應(yīng)力[1-5]。研究表明熱生長氧化層和粘合層的熱膨脹系數(shù)相差兩倍[5]。

基于本課題組的研究結(jié)果和三個相關(guān)成果，作者及研究團隊對有關(guān)微量元素釔（Y， Yttrium）對熱障陶瓷層性能的影響、初始表面缺陷對熱障陶瓷層性能的影響、熱生長氧化層的生長特性、熱障陶瓷層的仿真及試驗方法、性能優(yōu)化方法等多個方面做了一些總結(jié)，指明了其發(fā)展方向[5]。

流入葉片內(nèi)部管道的冷卻空氣可以在葉片內(nèi)部流動起到對葉片合金部件的冷卻的作用，冷卻空氣通過加工在葉片表面的冷卻孔噴射到葉片表面，在葉片表面形成一層空氣層，從而降低葉片的溫度來提高發(fā)動機的熱效率[5]。

關(guān)于冷卻孔的研究很多學者都是著重于冷卻孔周圍的熱傳導[18-20]，但是渦輪發(fā)動機在運轉(zhuǎn)過程中不僅受熱疲勞影響，而且還有葉片高速旋轉(zhuǎn)所導致的向心力，這種作用在冷卻孔周圍的向心力會產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，導致TBC失效和冷卻孔周圍裂紋[21-24]，冷卻孔的變形和裂紋的出現(xiàn)可以直接引發(fā)葉片的失效乃至發(fā)動機的損傷，因此有必要對振動誘發(fā)熱和機械耦合效應(yīng)下冷卻孔的變形進行分析和研究。

首先，我們分析了Yttrium對熱障陶瓷系統(tǒng)的影響，提出改善熱障陶瓷系統(tǒng)性能的方法。然后，介紹了初始表面缺陷對熱障陶瓷系統(tǒng)的影響，并探討了改進方法。

2. Yttrium的影響

包含在金屬基體或粘合層中的Yttrium可以提高熱生長氧化層的穩(wěn)定性。圖1表示利用Fe-20Cr-4Al溫度在1273， 1373， 1473K條件下Sulfur或Yttrium的不同含量對質(zhì)量和表面的變化。研究表明Sulfur降低界面強度，但Yttrium可以提高粘合度。同時，Yttrium還可以減少熱生長氧化層的起皺現(xiàn)象。應(yīng)該指出，Yttrium對降低熱生長氧化層的起皺程度和氧化生長應(yīng)變程度。

3. 初始缺陷的影響

粘合層形狀影響熱生長氧化層的穩(wěn)定性。圖2表示在熱循環(huán)負載條件下由于粘合層的初始缺陷導致熱障陶瓷層的失效。由熱生長氧化層的生長而導致初始缺陷的變形。

4. 結(jié)論

本文討論了Yttrium和初始表面缺陷對熱障陶瓷系統(tǒng)性能的影響。通過本次討論，提出了改善熱障陶瓷系統(tǒng)性能的有效方法。本文對設(shè)計一個高性能渦輪發(fā)動機用熱障陶瓷系統(tǒng)提供科學依據(jù)。

參考文獻

[1] 劉純波， 林峰， 蔣顯亮， 熱障涂層的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢， 中國有色金屬學報， 2007， 17（1）： 1-13.

[2] 胡濤濤， 胡兵兵， 苗壯等， 界面形貌對熱障涂層殘余應(yīng)力分布的影響， 材料開發(fā)與應(yīng)用， 2012， 27（1）： 32-35.

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[5] 李振哲， 李峰勛， 申允德等， 發(fā)動機節(jié)能環(huán)保相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)， 四川大學出版社， 中國， 2017.endprint