等離子噴涂物理氣相沉積(PS-PVD)熱障涂層在高溫高速航空煤油燃氣熱沖擊下的失效機制

宋國斌 ,楊晉萍 ,董勇軍 ,崔 崇

(1.國電華北電力有限公司,北京 100070;2.國電科學技術研究院有限公司,南京 210023)

熱障涂層是一種陶瓷涂層,常作為先進飛機發動機及燃氣輪機熱端部件的熱防護涂層,具有抗高溫氧化、耐腐蝕和隔熱的作用。熱障涂層主要由金屬底層(或稱黏結層)和陶瓷面層所組成[1-4],底層常采用PtAl滲層涂層和MCrAlY 涂層,面層常采用氧化釔穩定氧化鋯(YSZ)涂層。熱障涂層的失效形式主要表現為陶瓷面層的剝落,主要原因是面層應力容限偏低,這與其微觀結構有關,因此陶瓷面層的制備工藝至關重要[5-6]。常見的陶瓷面層制備方法主要有大氣等離子噴涂(APS)法和電子束物理氣相沉積(EB-PVD)法。近20 a來,一種全新的熱障涂層面層制備技術——等離子噴涂物理氣相沉積(PSPVD)法被認為是兼顧高隔熱性能和高應力容限的涂層制備技術[7-13]。

在渦輪中,熱障涂層會受到高溫燃氣熱沖擊。國內外諸多學者對熱障涂層的抗高溫燃氣熱沖擊性能進行了考核,并對涂層的失效機制進行了大量研究。VABEN 等[14]匯總了歐洲主要的燃氣熱沖擊考核系統,對比了各個系統的功能和差異。美國NASA 使用火焰槍對熱障涂層進行高溫燃氣熱沖擊,結果表明含砂礫的燃氣熱沖擊對涂層的破壞性較大。MEI[15]使用C8H16和C9H18作為燃料,分析了熱障涂層的燃氣熱循環性能,結果表明氧化膜生長和陶瓷面層內應力是造成APS熱障涂層剝落的主要原因。張永等[16]采用丙烷燃氣進行熱沖擊試驗,對比分析了燃氣熱沖擊對PS-PVD 和APS熱障涂層的微觀結構和隔熱性能的影響。燃氣熱沖擊除了會引起涂層的熱循環失效和熱沖蝕(加砂礫)失效外,還可能引起合金的熱腐蝕,尤其是在含有水汽、低熔點鹽的燃氣中,熱障涂層對燃氣及水汽起到一定的物理隔絕作用,可以減小底層的氧化速率和腐蝕速率[17-19]。

近些年來,國內一些研究機構搭建了一種采用航空煤油作為燃料的高溫高速燃氣熱沖擊試驗平臺,高溫高速燃氣熱沖擊環境更為復雜,涂層失效同時涉及底層氧化、熱腐蝕和熱沖蝕等多種形式。目前,關于單晶合金葉片的燃氣熱沖擊考核報道較少,涉及航空煤油燃氣熱沖擊試驗的研究報道更少。

本工作采用PS-PVD 法,在單晶合金葉片表面制備了熱障涂層的MCrAlY 底層和YSZ 面層,使用航空煤油作為燃料,分析了熱障涂層在高溫高速航空煤油燃氣熱沖擊下的失效機制,以期為熱障涂層在航空發動機葉片中的應用提供參考。

1 試驗

使用單晶合金葉片作為基材,其化學成分見表1[20]。如圖1所示:將葉片表面分為4個區域,I區為葉尖靠近葉尾的區域,II區為受燃氣直接沖擊的葉片正面,III區為未受燃氣直接沖擊的過渡區,IV區為受燃氣直接沖擊的葉端區;按受燃氣沖擊部位不同,將葉片橫截面分為9個區域(A～I),其中,A,C,E,G 區為受燃氣直接沖擊的過渡區。使用歐瑞康美科LPPS-TF 型超低壓等離子噴涂系統,制備熱障涂層的MCrAlY 底層和YSZ 面層。Amdry997粉末作為噴涂底層原料,Metco6700粉末作為噴涂面層原料,其化學成分和組分見表2和表3。采用PS-PVD 法制備類柱狀晶YSZ面層,噴涂功率為125 kW,氬氣流量為2.4 m3/h,氦氣流量為3.6 m3/h,真空度為1.5×102Pa,預熱溫度為900 ℃,送粉量為25 g/min,噴涂距離為850 mm。

表1 單晶合金葉片的化學成分Tab.1 Chemical composition of single crystal alloy blade

圖1 單晶合金葉片表面和橫截面示意Fig.1 Schematic diagram of outer surface (a) and cross-section (b) of single crystal alloy blade

表2 Amdry997粉末的化學成分Tab.2 Chemical composition of Amdry997 powders %

表3 Metco6700粉末的組分Tab.3 Components of Metco6700 powder %

使用超聲速火焰流對噴涂有熱障涂層的單晶合金葉片表面進行高溫高速燃氣熱沖擊試驗,燃料為航空煤油,壓縮空氣作為助燃劑,試驗參數主要有煤油流量30 L/h,空氣流量6 m3/min,焰流溫度1 000 ℃,沖擊角度90°,沖擊距離120 mm。采用線紅外測溫儀對葉片受沖擊面的溫度進行監測,加熱溫度為(1 000±10) ℃,連續沖擊時間為100 h。

在單晶合金葉片葉尖區以下約5 mm 處截取試樣,試樣經鑲嵌、打磨和拋光后,使用日立SU5000型掃描電鏡(SEM)和能譜儀(EDS),對試樣表面和橫截面進行顯微組織觀察及成分分析。

2 結果與討論

由圖2可見:單晶合金葉片外表面I區和II區的熱障涂層幾乎完全剝落,III區涂層發生部分剝落,IV 區受燃氣直接沖擊,涂層也完全剝落;I區是葉片葉尖靠近葉尾區,該區域有部分YSZ面層未發生剝落,這是因為葉片受燃氣沖擊的區域離焰流中心較遠;在受燃氣直接沖擊的II區,YSZ 面層完全剝落,僅殘留一些剝落后的YSZ面層根部;III區和IV 區是受燃氣沖擊的過渡區,涂層發生部分剝落。綜上可知,受燃氣直接沖擊的區域YSZ面層完全剝落,未受燃氣直接沖擊的區域的YSZ面層較完整。

圖2 高溫高速航空煤油燃氣沖擊后單晶合金葉片外表面不同區域熱障涂層的SEM 形貌Fig.2 SEM morphology of thermal barrier coating of different areas on outer surface of single crystal alloy blade after high temperature and high speed aviation kerosene gas thermal shock: (a) area I;(b) area II;(c) area III;(d) area IV

由圖3可見: 對于單晶合金葉片橫截面不同區域,受燃氣直接沖擊的區域熱障涂層完全剝落,未受燃氣直接沖擊的區域熱障涂層較為完整,這與單晶合金葉片外表面的觀察結果一致。經統計,D,H,I區的熱障涂層較完整,A,C,E,G 區的熱障涂層發生部分剝落,B,F區的熱障涂層完全剝落。

圖3 高溫高速航空煤油燃氣熱沖擊后單晶合金葉片橫截面不同區域熱障涂層的SEM 形貌Fig.3 SEM morphology of thermal barrier coating of different areas of single crystal alloy blade cross section after high temperature and high speed aviation kerosene gas thermal shock: (a) area A;(b) area E;(c) area F;(d) area H

由圖4可見:采用PS-PVD 法制備的YSZ面層呈類柱狀晶(或羽毛狀)形貌;經過100 h的高溫高速燃氣熱沖擊后,MCrAlY 底層表面形成了連續的熱增長氧化膜(Thermally Grown Oxide,TGO)。由圖5(a)可見,MCrAlY 底層較致密,與基材形成了良好的冶金結合,其表面TGO 連續且致密,部分區域存在內氧化或不連續的現象。經EDS分析可知,TGO主要成分為氧化鋁,部分區域的TGO中有尖晶石類氧化物。有研究表明,燃氣可能會對合金造成熱腐蝕,這會導致氧化膜成分發生變化,合金內部會生成一些腐蝕產物[17-19]。經EDS分析可知,MCrAlY 底層未檢測出腐蝕產物,受燃氣沖擊和未受燃氣沖擊的區域,其表面TGO 成分無明顯差異。由此可見,腐蝕對單晶合金葉片表面熱障涂層造成的影響基本可以忽略。由圖5(b)可見,高圖像襯度下,MCrAlY 底層與單晶合金葉片基體之間形成元素互擴散區,在該區域內單晶合金原有的網格狀γ+γ'組織已經消失,這種互擴散區對YSZ面層剝落的影響幾乎可以忽略。

圖4 高溫高速航空煤油燃氣熱沖擊后單晶合金葉片橫截面熱障涂層的SEM 形貌(D 區)Fig.4 SEM morphology of thermal barrier coating of single crystal alloy blade cross-section after high temperature and high speed aviation kerosene gas thermal shock (area D)

圖5 高溫高速航空煤油燃氣熱沖擊后低、高圖像襯度下MCrAlY 底層 的SEM 形貌Fig.5 SEM morphology of MCrAlY bottom layer at low (a) and high (b) image contrast after high temperature and high speed aviation kerosene gas thermal shock

燃氣熱沖擊對MCrAlY 底層表面TGO 生長速率的影響較大。由圖6可見:MCrAlY 底層表面呈凸凹起伏狀形貌,各區域MCrAlY 底層表面的粗糙度無明顯差異,其表面TGO 厚度差別較大;受燃氣直接沖擊的B,D,F區(單晶合金葉片正面)MCrAlY 底層表面的TGO 厚度明顯大于單晶合金葉片背面H,I區表面的,原因是葉片背面溫度較低,氧化速率較慢;B區和D 區均為葉片正面,B區為受燃氣直接沖擊的區域,D 區不受燃氣直接沖擊,這兩個區域MCrAlY 底層表面的TGO 厚度無明顯差異,表明在金屬涂層和基材的強導熱作用下,葉片正面各區域的溫度基本相同,氧化速率也基本相同;B區和D 區MCrAlY 底層表面的TGO 厚度相同,且D 區YSZ面層未發生明顯剝落,所以MCrAlY 底層氧化不是造成YSZ面層剝落的主要原因。

圖6 高溫高速航空煤油燃氣熱沖擊后單晶合金葉片橫截面不同區域MCrAlY 底層表面TGO 的SEM 形貌Fig.6 SEM morphology of TGO on surface of MCrAlY bottom layer in different areas of single crystal alloy blade cross section after high temperature and high speed aviation kerosene gas thermal shock

由圖7可見:圖7(a)為YSZ面層類柱狀晶頂部剝落前的形貌,圖7(b)為YSZ 面層類柱狀晶頂部剝落后的形貌;在1 000 ℃燃氣熱沖擊下,熱障涂層不會發生因類柱狀晶相互擠壓引起的剝落;IV 區YSZ面層類柱狀晶沿根部發生斷裂,該區域受燃氣直接沖擊,YSZ 面層全部剝落。由圖8 可見,單晶合金葉片橫截面C區為受燃氣沖擊過渡區,該區域的YSZ面層發生整體或部分剝落。

圖7 高溫高速航空煤油燃氣熱沖擊后單晶合金葉片外表面YSZ面層發生部分剝落區域的SEM 形貌Fig.7 SEM morphology of YSZ surface layer partial peeling areas on outer surface of single crystal alloy blade after high temperature and high spead aviation kerosene gas thermal shock: (a) area III,low magnification;(b) area III,high magnification;(c) area IV,low magnification;(d) area IV,high magnificationz

圖8 高溫高速航空煤油燃氣熱沖擊后單晶合金葉片橫截面YSZ面層整體和部分剝落區域的SEM 形貌(C區)Fig.8 SEM morphology of overall and partial peeling area of YSZ surface layer of single crystal alloy blade cross section after high temperature and high speed aviation kerosene gas thermal shock (area C)

由圖9可見:單晶合金葉片外表面II區受燃氣直接沖擊,其表面有黑色顆粒物,顆粒物直徑最大約為0.5 mm;進一步放大后觀察發現,這些顆粒物由若干個微米或亞微米級細顆粒組成,考慮到在較大外界沖擊力作用下YSZ面層才會發生整體剝落,可推斷YSZ面層剝落的原因是這些黑色顆粒物進入高溫高速燃氣中,對熱障涂層產生沖蝕作用。

圖9 高溫高速航空煤油燃氣熱沖擊后單晶合金葉片外表面II區黑色顆粒物的SEM 形貌Fig.9 SEM morphology of black particles in area II on outer surface of single crystal alloy blade after high temperature and high speed aviation kerosene gas thermal shock: (a) low magnification;(b) high magnification

由圖10可見,在熱沖擊試驗過程中,外界環境中的灰塵、噴槍內碎屑和燃油不充分燃燒形成的碳顆粒都有可能進入高溫高速燃氣中,高速撞擊熱障涂層表面,從而使YSZ 面層發生整體剝落,未受到燃氣直接沖擊的區域,熱障涂層較為完整。

圖10 高溫高速航空煤油燃氣熱沖擊下PS-PVD 制備的YSZ面層的失效機理示意Fig.10 Schematic diagram of failure mechanism of YSZ surface layer prepared by PS-PVD under high temperature and high speed aviation kerosene gas thermal shock

3 結論

(1)受高溫高速燃氣直接沖擊的區域,YSZ面層發生整體剝落,未受燃氣直接沖擊的區域,YSZ面層較完整。

(2) 單晶合金葉片正面受高溫高速燃氣直接沖擊的區域,MCrAlY 底層表面的TGO 厚度明顯大于葉片背面的,單晶合金葉片正面未受燃氣直接沖擊的區域,YSZ面層較完整,說明MCrAlY 底層氧化不是造成YSZ面層整體剝落的主要原因。

(3) 受燃氣直接沖擊的區域,YSZ面層從根部發生斷裂,這是外界環境中的顆粒物進入高溫高速燃氣中,對熱障涂層產生沖蝕造成的。