热障涂层热冲击实验设备的研究

热障涂层热震实验设备的研究

张佳

中航工业航空材料研究所，北京勤合科技有限公司

E-mail ：摘要：采用等离子喷涂工艺在不锈钢基体上制备了ZrO 2加MgO 的热障涂层(MSZ)，同时制备了NiCrAlY 涂层作为对比，研究分析了两种涂层的抗高温氧化和抗热震性能。主要结果如下：1) MSZ 涂层和NiCrAlY 涂层在900℃和1000℃的高温氧化行为都表现出比NiCrAlY

涂层优异的抗氧化性能。2) MSZ 涂层在热震实验中表现出一定的抗热震性能。失效主要发生在中间层与陶瓷层的界面处。产生失效的主要原因是由于基体、中间层、陶瓷层三者之间热膨胀系数的不匹配而造成的，由此导致涂层的开裂、剥落。关键词：热障涂层；高温氧化；热震；TGO 中图分类号：TG174.4

1. 引言

目前国内有关热障涂层的理论和实验研究刚刚起步，实际应用较少，且多是在非航空部门的非转动部件上[1~2]。与先进国家相比，无论是装备、工艺、材料和基础研究等方面，都存在着相当大的距离，已严重的制约着我国航空发动机工业和飞机制造业的发展。热障涂层主要靠等离子喷涂和EB-PVD 等方法制得，前者适用范围广，但涂层中存在气孔和未熔化的粉末粒子，使涂层的力学性能受到影响，同时它们也会成为腐蚀气体的通道，使中间层氧化，造成涂层的失效；后者工艺和涂层结构复杂，成本较高，而且涂层在服役期间过早的剥落始终是困扰其发展的一个问题，虽然在实验中已取得不少成果[3~5]，但广泛范围应用还有一段距离。鉴于以上原因，我们采用成本较低、应用最广的空气等离子喷涂工艺制备了MSZ 热障涂层，研究了该涂层的高温氧化和热震行为，以探讨其高温性能以及失效机理，为今后热障涂层的使用和发展提供借鉴。

2. 实验方法

工作原理1．研制背景

热震或热冲击试验是测定涂层在反复加热-冷却交替作用下，涂层抵抗循环热应力导致的涂层开裂、剥落的能力。目前用的比较多的试验方法是将试样暴露在火焰中或放入加热炉中，加热到设定的温度后保温一定时间，然后淬水（通常称为热震）、气冷或空冷（通常称为热冲击）至室温。在北京勤合科技公司的试验过程中随时观察试样表面热震裂纹的萌生、扩展以及涂层剥落情况。如此反复加热、冷却，直到涂层从基体上剥离（一般设定剥落面积达20%为失效）为止。通过比较涂层剥落所经历的热循环次数、循环时间及试样表面涂层损坏的情况来评定试样的抗热震性能。

以上两种目前常用的氧化和热震试验方法大多是人工操作，没有专门设备，试验工作量大，试验条件不统一，一些重要的试验参数，如试样的加热和冷却速度、试样表面的热震形貌变化和热裂纹发生和扩展情况等不能及时观察和记录、保存。导致试验结果不能在同一个标准下进行对比分析，一般只是定性的说明，很难准确评价涂层的热冲击性能。

近年来国内外也有一些文献资料报道了一些研究热障涂层的热震试验方法和相应的试验装置，如采用激光作为热源，用声发射技术监测裂纹起裂和扩展的信息，同时试样加热冷却的情况也可记录下来，但尚有许多因素影响试验的准确性。如很难区分同一个区域同时有几条裂纹开裂的情况；北京勤合科技有限公司的激光热源的快速集中加热，被照射区域的涂层迅速膨胀，但被边缘未受到照射的“冷”涂层边界约束而生产“鼓泡”现象等，与涂层实际热疲劳失效情况出入较大。还有一些试验试验装置和试验方法的报道，但大多是针对某一类型的个别试样进行测试，多用红外侧温系统监测涂层表面温度，用声发射、超声波等技术监测涂层开裂和裂纹扩展情况。实验装置复杂，试验过程繁琐，评价方法影响因素多，很难建立统一标准，且造价昂贵，目前市场上尚未见到有专业化、商品化的热震试验机报道。

2. 旋转式多功能热震试验机简介

针对上述热震试验装置的现状，最新研制的旋转式多功能热震试验机的特色和创新之处见图1

。

----计算机控制先进高温（600-1500）热震（热冲击）试验平台

显示压力量、风冷水温度图1热震试验机及原理示意图

3. 技术特点

1) 可同时对四个试样在相同条件下进行热震对比试验，试验效率高；2) 可方便改变加热热源和冷却方式以满足不同的实验条件要求；

3) 可在线实时观测试样表面热震形貌和加热温度曲线，图像和温度信息可计算机保存；

4) 样品加热、保温、冷却时间由可编程控制系统自动控制样品转盘旋转速度实

现；

5) 采用专用样品台可通过测定边界条件计算试样表面温度场和应力场进行科学研

究；

6) 最终可打印出包括温度曲线、随热循环周次变化的试样表面热震形貌标准试验

报告。4. 实验过程控制4.1实验准备

首先根据试样的试验条件和要求，编写不同的试验模式；将加工好的标准试样牢固安装在四个样品座上，校准和调节红外测温系统、火焰喷射器、显微观测器、清洁干燥喷气装置、冷却水箱或喷水器、旋转驱动系统和样品转盘处于由可编程控制器设定的准备工作状态，包括转速、旋转角度和循环周次等；开启电器开关组件，接通电源，由燃气控制柜调节和设定火焰喷射器燃气流量和压力参数。

4.2试验过程

试验开始，先点火，使喷射器火焰调整至中性焰形态，并对准试样的加热位置；启动可编程控制器，按设定程序开始加热和计时，同时红外测温系统开始测量试样表面温度，温度随时间的变化值和相应的“时间-温度”加热曲线可实时显示在计算机显示屏上，并可通过计算机数据通讯接口存贮到计算机中；当试样1表面温度达到设定值（例如1200℃）时，可编程控制器自动发出指令，旋转驱动系统驱动样品转盘按设定速度旋转90˚（角度和转速可事先编程设定），使试样1转到下方水箱位置进行水冷，相应的冷却曲线可在线观察，并存贮到计算机中。同时试样2转到喷射器火焰位置被加热；当试样2加热到试样1相同的温度时，可编程控制器又指令旋转式样品转盘旋转90˚，则试样水冷，试样3加热；试样转到冷却气喷口被冷却、清洁气体进行风冷、吹干；冷却气喷口喷出的气体的流量和压力也可气体控制柜控制；当试样3加热到指定温度值时，可编程控制器再次指令样品转盘旋转90˚，则试样3水冷，试样加热，试样风冷、吹干，而表面被吹干净的试样转到正上方位置，由显微观测器观察热循环一次后的试样表面形貌，通过CCD 在计算机显示屏上动态显示，可根据需要将图像信息通过计算机数据通讯接口存贮到计算机中；当试样4加热到指定温度值时，可编程控制器又指令样品转盘旋转90˚，则试样水冷，试样进行第二轮循环加热，试样表面风冷、吹干，转到显微观测器位置进行观察、记录试样2热震一个循环后的表面形貌，由此完成一个热震循环过程。试验总的热循环周次可根据试样的具体情况确定。当本轮热震试验结束，打印机可按试验者要求打印出实验报告。包括从计算机屏幕上截图存储的不同循环周次下的热震试样表面形貌、热循环曲线等。

三、1. 1.11.21.31.41.51.61.71.81.9

技术规格及描述设备主要规格参数：

试样台可安装4个试样，可在同种实验条件下进行对比试验和评价。试样加热方式：氧-丙烷火焰喷射器。

试样表面最高加热温度：1300℃（单色测温）。

试验机工作室采用清洁压缩空气冷却，试验机进气管处配备过滤原件，对压缩空气进行净化处理。

试样最低冷却温度可控制在40℃以下。

采用燃气流量控制和燃气喷口与试样间距离调节试样的加热速度与温度。采用PLC 程序控制和触摸屏方式实现实验过程自动控制。

试验机可长时间连续工作，一般连续实验不少于24x6天=144小时。用户可根据实验要求和试验温度选择试样材料，不受试验机控制。

2. 2.1

多功能热震试验机主要配置及说明：

实验机组成:

试验机由三大部分组成，一为试验机主机部分，二为试验机电气控制部分，三为计算机在线实时监控及数据采集、存储部分。试样及装卡部分:

试样装卡部件（简称为样品台）安装在可旋转的机构上，通过伺服电机驱动和PLC 编程实现实验模式和实验过程自动控制，保证试样可在同一位置、同种试样的条件下进行加热冷却。试样加热部分:

试样加热采用氧丙烷火焰喷射器，氧气及丙烷分别配备质量流量计，流量大小可于触屏手动调节。试样冷却部分:

作热冲击试验时，实验机采用压缩空气或喷淋水冷却试样。根据客户实验需求，试验机可提供水冷、风冷两种冷却方式。

供气部分：

试验机系统使用三种气体，压缩空气，氧气和丙烷。气体集中经过控制柜，由流量计控制气体流量。氧气和丙烷可采用气体汇流排供应，可支持试验机长时间不间断连续实验。

测温部分：

试验机温度控制系统选用laytek 单色红外测温传感器，测量试样涂层表面和基体的温度。其中，试样涂层测温范围不低于900℃~1800℃，基体测温范围不低于300℃~900℃测温选用单色红外测温传感器。红外测温传感器有足够灵敏度，能够快速响应，准确测量实验温度。防护部分：

试验机配置专用的冷却风道，可对试验仓中进行降温保护,并把热气抽出到室外。

试验机可同时安装4个试样，可在相同条件下进行热震对比试验。试验机配备专用计算机，可在线观测试样表面热震形貌和加热温度曲线。试样加热、保温、冷却时间由可编程控制系统控制实现预设和自动控制。

2.2

2.3

2.4

2.5

2.6

2.7

2.82.92.10

2.1试样制备

基材为Cr18Ni8Ti, 中间层为Ni25Cr5Al0.5Y, 陶瓷层为24wt%的MgO 加全部稳定的ZrO 2。本实验采用的等离子喷涂设备为国产BSF-1000型APS 。热膨胀系数:中间层为13.48×10-6/℃，金属基体为16×10-6/℃,ZrO 2为10.5×10-6/℃。

表1等离子喷涂工艺参数

Table1The technology parameter of Plasma-Sprayed

涂层中间层面层

氩气流量L.min -15050

氢气流量L.min -188

电流A 480600

电压V 5658

送粉速率g.min -15050

喷涂距离mm 80-10080-100

3. MSZ 的高温氧化及热震行为

3.1高温氧化的实验结果

表2动力学曲线数据

Table2weight increment of the NiCrAlY layer and MSZ layer at the temperature which from900℃to1000℃试样MSZ

Ni25Cr5Al0.5Y

温度℃[1**********]900

10h mg/cm20.3180.0990.6040.305

20h 0.4190.1630.8080.426

30h 0.5570.2471.0450.587

40h 0.5980.3211.2200.616

50h 0.5530.3541.3400.697

从数据可以看出NiCrAlY 涂层的数据要远大于具有陶瓷层的试样。说明有陶瓷层的试样抗氧化性能要优于NiCrAlY 层的试样。同一试样1000℃时的数据要远大于900℃时的试样。说明随着温度的升高，试样的抗氧化能力下降。

对数据进行差值处理（后一数值与前一数值之差，所得值为每10h 内净增重量）可得到如下数据：

表3动力学曲线差值数据表

Table3weight increment of difference of the MSZ layer and NiCrAlY layer at the temperature which

from900℃to1000℃

试样

MSZ

Ni25Cr5Al0.5Y

温度[**************]

10h mg/cm20.3180.0990.6040.305

20h 0.1010.0640.2040.121

30h 0.1380.0840.2370.161

40h 0.0410.0740.1750.029

50h -0.0450.0330.1200.081

上述数据共同特点是大多数情况下数值呈现下降状态，说明氧化速率正在下降，原因是

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随时间推移产生了连续状氧化物（为铝或铬的氧化物及其两者共同的氧化物）。氧化物的存在, 在一定程度上阻碍了氧化的速率，但过多过厚的氧化物会沿陶瓷层面层内的裂纹或孔隙生长，阻碍陶瓷表面层中的微裂纹的愈合，热膨胀系数不匹配应力得不到释放，最后造成TBC S 失效。1000℃时，试样在50h 后产生了剥落现象，表现为数据差值为负值，相应的动力学曲线呈下降状态。

对1000℃时的MSZ 涂层的SEM 形貌进行观察(见图3), 我们可以观察到以下几个方面:由于裂纹的大量存在，使氧气容易进入试样内部，中间层氧化比较严重（C 处），而且

涂层与基体的连接处也出现了氧化。

A 点处产生了裂纹，在其附近有横向的裂纹和纵向的裂纹，以横向裂纹居多，但两者还未形成大片网络状裂纹。因此，试样并未发生大面积剥落现象。

B 点处黑色物质为空洞和空隙，是试样制备时留下的或高温氧化时由于表面氧化反应消耗了中间层中的合金元素，合金元素向表面的迁移使中间层内出现空位，空位的聚集塌陷可能使中间层与氧化膜界面出现空洞。

C 点处主要形成了以Ni 、Cr 、Al 为主的氧化物。

D 点处在中间层中某些块状浅灰色物质（与基体颜色相近）是未经氧化的中间层物质。E 点处主要形成了以Fe 为主的氧化物，因为此处靠近基体（基体内元素向外扩展，中间层元素向内迁移）。

A B

C D E

图3MSZ 涂层在1000℃氧化50h 后的截面形貌

Fig.3Cross-section microstructure of MSZ coating after 50h oxidation at 1000℃

通过对900℃的SEM 形貌进行观察发现，与1000℃时MSZ 图片相比，试样由于温度的降低，裂纹数量减少了很多，裂纹的长度也短了很多。另外，没有被氧化的中间层物质的面积也大量增加（见图4）。A 处为裂纹。B 处为没有被氧化的中间层物质。C 处为应力失效机理4所导致的裂纹（D 处为点处形成了以Ni 、Cr 为主的氧化物。

A B C D

图4MSZ 涂层在900℃氧化50h 后的截面形貌

Fig.4Cross-section microstructure of MSZ coating after 50h oxidation at 900℃

A B

图5NiCrAlY 涂层在900℃氧化50h 后的截面形貌

Fig.5Cross-section microstructure of NiCrAlY coating after 50h oxidation at 900℃

由于没有陶瓷层的覆盖，NiCrAlY 涂层被氧化的很严重，由形貌可知NiCrAlY 涂层处没有被氧化的部分已经很少了，而基体与NiCrAlY 涂层连接部分已经出现了明显的氧化带。由于靠近基体，产生了Fe 的氧化物，而Fe 的氧化物是疏松状物质，所以很容易引起基体与中间层的脱落（见图5）。

A 点处形成了以Al 为主的氧化物。

B 点处主要形成了以Fe 为主的氧化物，因为此处靠近基体。

A

通过对1000℃时SEM 形貌的观察发现，与900℃时的形貌相比，1000℃时基体与NiCrAlY 层连接处的氧化带明显增厚，而且已经形成连续状的氧化带，说明此时的氧化已经非常严重。基体已严重遭受到破坏（见图6）。

A 点处以Ni 、Al 为主的氧化物。B 点处主要形成了以Fe 为主的氧化物，因为此处靠近基体。

MSZ 试样的x-射线图如下所示：图7为1000℃时的MSZ 涂层x-射线图，图8为900℃时的MSZ 涂层x-射线图。

[***********]00800

●

●----t-ZrO

2

△----MgO □----M-ZrO 2

●

△

●

6004002000-200

20

40

□□

●

△

●

△

●

6080

2θ

图7MSZ 涂层1000℃加热后的X 射线衍射分析

Fig.7XRD patterns of the ceramic layer of MSZ after the static oxidation test in 1000℃