EBPVD工艺中粘结层较薄时热障涂层失效分析
材料热处理技术
Material&Heat Treatment
下半月出版
随着现代航空发动机向高推重比、高效率、低油耗的方向发展，热端部件的使用温度越来越高。现有的高温合金所能承受的使用温度已难以满足航空发动机发展的要求。过去几十年的经验表明，采用在高温合金基体上包覆热障涂层的技术能够显著提高高温合金的使用温度和寿命，以达到提高涡轮发动机综合性能的目的[1-4]。
航空发动机热端部件上所用热障涂层通常由陶瓷表层和金属粘结层组成，陶瓷表层一般采用Y2O3部分稳定的ZrO2(YSZ)，而金属粘结层采用MCrAlY，其中M为Ni或Co。金属粘结层主要起降低陶瓷层和基体之间热膨胀失配度和防止基体氧化的作用[1，5]。通常认为，粘结层的厚度影响其调节失配度的能力，厚度越大降低失配度的效果越明显。粘结层的抗氧化主要是靠在粘结层和陶瓷层界面处生成的一层致密的热生长氧化物层(TGO)，最初其主要成分为α相Al2O3，伴随着其服役时间的延长，会有Cr和Ni 的氧化物产生。致密的TGO能有效阻止氧朝基体方向扩散，防止粘结层和基体在服役过程中被氧化。
由于EB-PVD的工艺过程中蒸气入射方向单一且不能调控，而现实中航空发动热端部件形状不规则，必将导致在涂层制备的过程中零件局部遮挡严重，实际沉积时间过短，致使局部涂层厚度不均匀，对涂层的综合性能有一定的影响。由于粘结层对常规YSZ热障涂层体系的失效起决定性的作用，所以分析粘结层较薄时涂层体系的失效模式显得尤为重要。本文拟采用EB-PVD技术在高温合金基体上制备粘结层较薄的YSZ热障涂层。通过热循环炉模拟涂层体系现实的服役环境，结合显微分析手段，最终确定粘结层过薄对涂层体系性能的影响规律。
1实验方法
1.1材料及试样制备
试样所用基体材料为Ni3Al基金属间化合物IC10，其最高承受温度为1100℃。试样尺寸为准14mm×
EB-PVD工艺中粘结层较薄时热障涂层失效分析
苏林1,武洪臣1,雷新更1,刘亮1,2
(1.北京航空制造工程研究所高能束流加工技术国防重点实验室,北京100024;2.哈尔滨工程大学材料科学与化学
工程学院,黑龙江哈尔滨150001)
摘要：采用EB-PVD工艺在高温合金基体上制备了粘结层厚度为12μm左右的YSZ热障涂层，分析粘结层较薄情况下涂层体系的失效模式。通过循环氧化实验发现涂层体系有一定的抗氧化性能，但是寿命较短，且无明显分布规律。采用SEM对试样不同时期微观形貌进行观察，发现试样在热处理之后形成的TGO不够致密，不能有效阻止氧朝基体方向的扩散，使粘结层内部被氧化，导致涂层体系失效。
关键词：电子束物理气相沉积；粘结层；热障涂层；失效
中图分类号：TG174.453文献标识码：A文章编号：1001-3814(2011)24-0243-03
Failure Analysis on TBCs with Thin Bond Coating in EB-PVD Process
SU Lin1,WU Hongchen1,LEI Xingeng1,LIU Liang1,2
(1.Power Beam Processing Laboratory,Beijing Aeronautical Manufacturing Technology Research Instituteh,Beijing100024,
China;2.College of Material Science&Chemical Engineering,Harbin Engineering University,Harbin150001,China) Abstract：TBCs with about12μm thick bond coating were coated on superalloy substrate by EB-PVD processs.The failure molds of TBCs with thin bond coating were analyzed.The micromorphology of the samples under different conditions was analyzed using SEM.The results of cyclic oxidation show that the TBCs have oxidation resistance,but the life of TBCs is short and distributed irregularly.The SEM results show that TGO of as-annealed samples is not dense enough,and can't effectively prevent the oxygen diffusing toward the substrate.At last the bondco at is oxidized and the TBCs failed.
Key words：electron beam physical vapor deposition(EB-PVD);bond coating;thermal barrier coatings(TBCs);failure
收稿日期:2011-07-21
作者简介:苏林(1985-),男,河北唐山人,硕士研究生,主要研究方向为
高温合金表面防腐;电话:010-********;
E-mail:hustsulin@https://www.wendangku.net/doc/727734170.html,
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《热加工工艺》2011年第40卷第24期
Hot Working Technology 2011,Vol.40,No.24
材料热处理技术Material &Heat Treatment
2011年12月
带涂层试样
3mm 。先用砂纸将试样表面打磨光滑，去除机械加
工痕迹，之后将试样放在酒精中超声波清洗30min ，烘干试样。
采用EB-PVD 工艺在试样表面沉积一层粘结层，材料为NiCoCrAlY ，沉积时间5min ，最终所得粘结层厚(12±2)μm 。将带有粘结层的试样在真空热处理炉中进行均匀化退火处理。
对退火态的沉积有粘结层的试样表面进行水吹沙处理，清洁粘结层表面，之后将试样在酒精中超声波清洗30min ，烘干试样。采用EB-PVD 工艺在粘结层表面沉积一层YSZ 陶瓷面层，沉积时间45min ，最终所得陶瓷面层厚170μm 左右。对试样进行真空退火处理。
1.2测试分析
取10个退火态试样放入高温热循环炉中进行循环氧化实验，工艺为1100℃×50min ，之后强风吹冷10min 。定期取样，采用SEM 对不同状态下试样表面和截面进行观察和检测，利用EDS 对试样断面成分进行分析。
在对试样进行循环氧化实验的同时对试样进行热增重分析。取表面经过砂纸打磨的无涂层试样和沉积有涂层的试样同步进行热增重实验。将两种试样分别放入两个恒重坩埚中，在热循环炉中进行循环氧化，定期对试样进行称重，记录试样的质量变化，通过计算得出涂层面单位面积质量增加随氧化时间的变化规律。
2结果与讨论
2.1循环氧化分析
通过热循环试验发现试样的平均循环寿命为
83h ，寿命较短，且试样间寿命差别较大，最短为44h ，
最长达到162h ，试样寿命分布无明显规律，涂层体系的寿命远不符合现阶段航空发动机对涂层体系性能的要求。通过对失效试样宏观表面进行观察，发现涂层体系破坏模式除了涂层脱落外还表现为表面鼓包。表面鼓包在一定时间内并未导致涂层脱落，但随循环氧化时间的延长可以明显看出有以鼓包为中心，朝四周发散的裂纹产生。图1为循环氧化50h 涂层表面裂纹形貌。
通过热增重实验得出试样的循环氧化动力学曲线如图2所示。可以看出，在循环氧化初期，带涂层
试样和无涂层试样涂层体系有一定的抗氧化性能，但不是很显著。试样在氧化初期质量增加速度较快，后期速度逐渐变得缓慢。带涂层试样涂层体系失效阶段试样质量增加速度显著提升。
2.2显微结构分析
通常认为连续致密的TGO 层能阻止氧朝基体方向扩散，防止基体被氧化。一般情况下希望涂层体系经过真空退火之后形成的TGO 连续致密。通过
SEM 对退火态试样剖面进行观察，发现试样在经过
热处理之后在陶瓷层和粘结层界面处形成了一层氧化物薄膜即TGO ，通过EDS 分析得知这层氧化物薄膜主要成分为Al 2O 3，如图3所示。可以看出，试样经过真空退火之后生成的TGO 较薄，且组织不够致密，分析其原因为粘结层过薄，导致真空退火过程中
250μm
图1循环氧化50h 试样表面形貌
Fig.1SEM image of specimen after 50h cycle
22
181410620
50
100
ΔG /(g ·m -2)
高温氧化时间/h
无涂层试样
图2氧化动力学曲线
Fig.2Cyclic oxidation kinetic curves
50μm
2.5μm
图3退火态试样剖面图
Fig.3Cross-sectional SEM image of specimen as-anealed
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材料热处理技术
Material&Heat Treatment 下半月出版
截面处Al消耗得不到有效地补充，最终导致TGO
疏松不致密。
受EB-PVD工艺特性的影响，陶瓷表层和粘结
层内部都呈柱状晶组织[6]，且晶粒一般贯穿整个涂
层厚度方向，使其内部存在垂直于涂层表面的晶界，
另外涂层体系热膨胀系数比基体材料小，高温状态
下涂层体系受张应力，柱状晶晶界张开，氧气很快透
过陶瓷表层，到达陶瓷层和粘结层界面。试样经过前
期退火处理后在陶瓷层和粘结层界面处产生的
TGO不够致密，不能有效地阻止氧继续朝基体方向
扩散，氧透过TGO层薄弱点将会使粘结层内部个
别区域氧化。图4为循环氧化10h试样的剖面图。可以看出，试样经过10h循环之后TGO层明显加厚，但是粘结层内部多个部位已经被严重氧化，氧化深度已达到粘结层中间部位。图4显示粘结层内部热生长氧化物分布不均匀，导致涂层体系由氧化物生长引起的应力集中严重。随氧化时间的延长，涂层内部应力逐渐增大，当其超过陶瓷层的承受限度时，就会导致涂层局部开裂，本试验中开裂的宏观表现为试样表面局部鼓包。
通过SEM对50h循环试样的剖面进行观察，发现陶瓷表层中产生的裂纹沿晶界方向贯穿整个陶瓷层，裂纹底部积累了大量的热生长氧化物，如图5所示。通过EDS对裂纹地物热生长氧化物进行成分分析，确定其主要为Al2O3。进一步证实了之前对试样表面裂纹产生原因的分析。
3结论
(1)粘结层较薄时涂层体系寿命过短，其寿命分布无明显规律。涂层体系性能不能满足航空发动机热锻部件的使用要求。
(2)粘结层较薄情况下涂层体系在经过退火之后在陶瓷层和粘结层界面处不能形成致密的TGO，造成试样在循环氧化初期粘结层内部迅速氧化，加速了涂层体系的失效。
(3)粘结层较薄，其调节陶瓷表层和基体的热膨胀失配度的能力有限，随热循环时间的延长，试样内部热应力积累严重，同样也加速了涂层体系的失效。
(4)在实际应用中由于航空发动机热端部件结构复杂，加之EB-PVD工艺中，蒸气入射方向单一，且不可改变，在涂层制备的过程中必会导致局部遮挡严重，使涂层厚度不均匀，降低了涂层体系的整体寿命，这就要求在涂层制备之前合理设计零件的工装夹具，以期涂层在制备过程中无遮挡或少遮挡。
参考文献:
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热加工工艺，2010，39(8)：111-113．
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显微组织的影响[J]．热加工工艺，2010，39(20)：113-116．
50μm
图5循环氧化50h试样剖面图
Fig.5Cross-sectional SEM image of specimen after
50h cycle
50μm
图4循环氧化10h试样剖面图
Fig.4Cross-sectional SEM image of specimen after
cycling for10h
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《热加工工艺》2011年第40卷第24期