表面处理对热障涂层界面微结构的影响.pdf

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1、表面处理对热障涂层界面微结构的影响米杨文慧。牟仁德(中国航发北京航空材料研究院航空材料先进腐蚀与防护航空科技重点实验室，北京100095)【摘要]采用真空电弧离子镀技术在单晶高温合金DD32上制备HY5金属粘结层，通过振动光饰、吹砂2种不同的表面处理方法改变粘结层表面状态，再在粘结层表面利用电子束物理气相沉积技术制备陶瓷层。研究了不同处理方法对粘结层表面状态的影响；测试了不同表面处理方法下制备的热障涂层的高温氧化性能并对比分析了它们的变化规律。此外，探讨了不同表面处理方法对界面元素成分及失效特征的影响。研究结果表明，通过表面处

2、理可以去除粘结层表面较大的凸起，提高表面平整度，提高热障涂层抗氧化性能。与粗糙界面相比，光滑界面形成的TGO层均匀致密，Al含量高。经长时间的高温氧化后，粗糙界面的TGO层出现明显皱曲现象，陶瓷层开裂剥落。关键词：热障涂层；粗糙度；高温氧化；界面微观结构DoI：10．16080／j．issnl671-833x．2017．08．044杨文慧北京航空材料研究院硕士研究生研究方向为热障涂层。随着航空发动机向高推重比方向发展，涡轮进El温度不断提高。涡％基金项目：国家863计划(2015AA034403)。44航空制造技术·2017年

3、第8期轮前进口温度的大幅度提升无疑对发动机热端部件高温合金材料提出了更高的要求⋯。目前，耐温等级最高的单晶高温合金的使用温度也不超过1423K，无法满足高性能发动机的需求。采用气膜孔冷却技术最大可使工件表面温度降低500—600K，但还存在100～200K的温度缺口，采用热障涂层技术是目前大幅度提高航空发动机工作温度的切实可行的方法[2．-4]o热障涂层是国外先进航空发动机广泛应用的一种高温防护涂层，不但能够提高叶片的使用工作温度，而且还能进一步提高叶片在高温服役过程中抗氧化和耐腐蚀等性能[5】。典型的热障涂层主要包括陶瓷面层

4、(TopCoat，TC)和金属粘结层(BondCoat，BC)。在高温环境下，金属粘结层中的Al向外扩散，在陶瓷层和金属粘结层之间形成一层致密的A1：0，氧化物，即热生长氧化层(ThermallyGrownOxide，TGOo一层均匀无缺陷的以仪一A1：0，为主相的TGO相当于为粘结层提供了一层高温氧化屏障，延长了粘结层的寿命。但是，TGO的生成使得粘结层与陶瓷层界面结构发生变化，在热障涂层恒温氧化过程中，TGO的形成、生长和界面微观结构对热障涂层的寿命有显著影响，热障涂层的失效往往也发生于TGO／TC和TGO／BC界面[6-

5、7]o研究表明，热障涂层界面形貌是造成TGO的成分及内应力变化的重要因素【8l。粗糙的粘结层初始表面是热障涂层界面出现皱曲的必要条件。而表面处理是改善界面微观形貌的有效措施之一。在工程化应用中，对粘结层进行表面处理和降低界面粗糙度可以达到延长涂层使用寿命的目的。因此，通过研究表面处理对热障涂层界面微结构及其在c⋯。㈨删吲涂层技术服役过程中演变的影响，分析界面与失效之间的关系，可为改善涂层的制备工艺和使用性能提供理论依据。前人针对表面处理对热障涂层界面微结构的影响开展了大量研究。Chirivi等【91研究发现，经过表面抛光预处理

6、后具有光滑表面的粘结层循环寿命小于只经过吹砂处理的涂层。Franke等【l叫发现界面粗糙不平的热障涂层在热循环过程中TGO在局部的优先生长，将在TGO凸起的部位优先产生微裂纹。但是，针对第二代单晶高温合金防护涂层以及高温氧化过程中界面处理对热障涂层界面微结构的影响方面的研究报道还较少。本研究采用真空电弧离子镀技术在单晶高温合金DD32上沉积HY5金属粘结层，利用电子束物理气相沉积(ElectronBeamPhysicalVaporDeposition，EB—PVD)技术制备YSZ陶瓷面层。通过振动光饰、吹砂2种不同的表面处理方

7、法，研究了不同表面处理方法对金属粘结层表面形貌的影响以及对涂层高温氧化性能的影响，同时探讨了表面处理方法对高温氧化过程中界面化学成分的影响，最终考察了热障涂层失效机理。试验及方法1试验材料试验的基体材料采用第二代单晶高温合金DD32，金属粘结层材料采用HY5，陶瓷面层材料为6％～8％(质量分数)氧化钇部分稳定的氧化锆(YSZ)。合金DD32及粘结层HY5名义成分如表1所示。试样尺寸为30mmX10mm×1．5mm。2涂层制备制备涂层前，按照GBl1373—89《热喷涂金属件表面预处理通则》，对基体试片进行表面处理及活化。用A一

8、1000真空电弧镀制备HY5金属粘结层，粘结层厚度为15。30¨m，沉积后进行1000℃真空扩散处理。沉积后对部分试样进行表面处理。最后采用电子束物理气相沉积(EB—PVD，UE204B)方法沉积厚度为100～120¨m陶瓷层。3表面处理在沉积陶瓷层前，对金属粘结层表面进行振