具有可控纵向分区结构热障涂层的制备及失效机理研究

The thermal barrier coatings (TBCs) were used to be fabricated on hot components of gas turbine engine to promote their thermal durability. Generally, the thermal barrier coatings possessed double layers, which were metallic bond coating and ceramic top coating. A failure attributed to top coating spalling probably emerged during the thermal exposure. In the current project, a method was proposed to increase the strain tolerance of top coating, which was the key factor to the TBCs thermal cycle life. First, an yttria-stabilized zirconia (YSZ) layer with vertical open pore was fabricated on MCrAlY bond coating through a freeze-casting method. Second, a new YSZ layer was spray on the former layer surface through a plasma spraying method to fill in the open pore. Therefore a new YSZ with vertical-segregated structure was formed. The vertical-segregated structure characters, such as porous, porous diameter size and pore morphology, could be controlled through adjusted the freeze-casting parameters. The effects of vertical-segregated structure characters on TGO growth, residual stress will be investigated. The properties of new thermal barrier coatings’ hot oxidation resistance, thermal cycle life will be discussed as well. Finally, the purpose to extend the thermal cycle life of coating is expected to be achieved through top coating structure optimization.

热障涂层涂覆在航空发动机热端部件表面可以有效地提高部件的工作温度。这种涂层一般具有金属粘接底层加陶瓷面层的双层结构，在使用过程中可能出现陶瓷面层脱落、热防护功能失效的问题。本项目从热障涂层脱落失效机理入手，拟通过优化陶瓷面层结构增加其应变容限，从而改善热障涂层热循环寿命。首先利用冷冻浇注技术在MCrAlY金属粘接层表面形成具有纵向通孔结构的YSZ陶瓷坯体，待其烧结成型后再利用等离子喷涂技术涂覆新一层YSZ陶瓷，填充和覆盖原有孔洞，从而形成具有纵向分区结构的陶瓷面层；通过调节冷冻浇注的过程参量控制纵向通孔的高度、直径、形状和分布密度，从而控制纵向分区的结构特征；研究纵向分区结构对界面氧化、TGO残余应力等方面的影响，同时研究新结构热障涂层的抗高温氧化性能、热循环寿命等，形成此结构涂层的失效机理；最终形成具有纵向分区结构热障涂层的优化制备方案，延长涂层热循环寿命并增加其寿命稳定性。

提高发动机涡轮前的进口温度是航空发动机获得更大的推重比的关键，为此需要进一步提高航空发动机涡轮叶片和燃烧室的抗高温能力。提高航空发动机抗高温能力的主要途径之一是：在基体合金的表面上涂覆热障涂层。目前应用最成熟的是“MCrAlY金属粘接层+Y2O3稳定的ZrO2（YSZ）陶瓷面层”的双层结构热障涂层体系。但是这项技术在使用过程中存在着一定的问题，其中发生频率最高、影响最显著的是热循环过程中陶瓷面层的早期剥落，这会导致热障涂层寿命不可靠，成为热障涂层在应用过程中亟需解决的问题。.本项目在“冷冻浇注”的工艺基础上，以叔丁醇作为液相介质，制备具有纵向通孔结构的7mol% Y2O3-ZrO2（YSZ）陶瓷面层。讨论了纵向通孔结构陶瓷的形成过程，并从气孔率、抗压强度和收缩性能方面对其进行了评价。通过调整工艺参数，制备出孔径分布均匀、孔径尺寸大且抗压强度较高的YSZ陶瓷涂层。通过调节料浆中的固含量、冷冻成孔温度和烧结成型温度，研究了固含量、冷冻成孔温度和烧结成型温度对YSZ陶瓷的孔隙率、抗压强度、孔径尺寸和收缩率以及其显微结构形貌的影响。试验制备的陶瓷涂层孔径分布均匀，孔隙率在30%~75%之间，相应的抗压强度为3~31Mpa。.另一方面，结合高温重熔和等离子喷涂技术，制备具有纵向结构的热障涂层，并与APS方法制备的热障涂层进行比较，分别对显微硬度、断裂韧性、隔热性能和热循环寿命进行对比测试分析。实验结果表明，纵向结构热障涂层具有较低的显微硬度和较大的断裂韧性，涂层的抗脆性断裂能力较好。由于纵向结构热障涂层内部有闭孔的存在，而空气的热导率特别小，在高温下其热阻比APS制备的涂层隔热性能更好。另外，纵向结构热障涂层能够释放在热循环过程中产生的热应力，减少陶瓷面层和粘接层界面处的应力累积，所以其抗热震性能更好，即热循环寿命更高。