基于铝控制及表面改性提高热障涂层寿命关键技术及机理

The content、configuration and evolvement of thermal growth oxide (TGO) have always been the focus of extending the lifetime of thermal barrier coatings (TBCs). In this project, using electric beam vacuum deposition (EBVD) and high current pulsed electron beams (HCPEB) technology, component and microstructure on bond coat surface in TBCs are designed according to the TBCs characteristics. Through the investigation of content、diffusion、oxidation behavior of Al atom, the evolvement of TGO will be controled by getting uniform and stabilized Al2O3. Subsequently, the relationships between Al content、distribution with evolvement of TGO will be established by systematically characterizing the microstructure induced by the surface treatments and oxidation of Ni、Cr、Co. By the investigation of the state and stress level of TGO and established of the relations between Al content-TGO-TBCs lifetime, residual stress will be released and the failure mechanism of cyclic oxidation TBCs will be revealed. The project will provide a scientific basis and technical support for the continued airworthiness of gas turbine engines.

热生长氧化物的成分、形态和演化一直是关系到航空发动机热障涂层服役寿命的关键和核心问题。本申请针对热障涂层的结构特点，使用电子束蒸发镀膜结合强流脉冲电子束表面改性技术对热障涂层结合层表面进行成分和微结构设计，通过结合层中Al原子的含量、扩散、氧化行为的可控技术研究，获得致密、稳定的Al2O3氧化层的形成工艺，实现热生长氧化物的可控制生长；通过系统表征Al原子含量与微观结构及Ni、Cr、Co等其他金属元素的扩散、氧化方式之间的关系，获得Al含量、分布对热生长氧化物生长和演化的影响规律及机理；通过研究热生长氧化物的应力状态和水平，总结和建立Al含量变化-热生长氧化物-热障涂层服役使用寿命三者之间的关系，获得热生长氧化物界面应力释放技术，揭示热障涂层循环氧化后的失效机制。通过本项目的研究，为保障民用航空器发动机的持续适航提供科学依据和技术支撑。

热障涂层结合层中原子的扩散及氧化直接影响着热生长氧化物的生长和演化。探究结合层表层组成成分以及微观结构变化对热障涂层性能和寿命的影响，对提高航空发动机热端部件服役寿命有着重要意义。本研究使用电子束真空蒸镀技术（EBVD）结合强流脉冲电子束技术（HCPEB），实现了对结合层（CoCrAlY）表层组成成分和微观结构的设计，控制Al原子的分布和扩散行为，干预热障涂层热循环过程中TGO的生长和演化行为，改变TGO界面及其附近的应力状态，释放TGO界面的应力水平，提高YSZ/TGO/BC界面结合力，达到提高热障涂层服役寿命的目的。同时结合有限元分析模型，模拟计算强流脉冲电子束作用下粘结层表层熔敷铝膜的过程，与电子束辐照实验结果对比分析，分析多种影响因子对强流脉冲电子束辐照结果的影响，优化了电子束蒸发镀膜及强流脉冲电子束轰击工艺参数，获得TGO界面应力的释放技术。.研究结果表明：结合层表层熔敷铝膜能够消除热喷涂结合层表层的大量喷涂缺陷，显著改善表层微观结构，促进形成连续致密的胞状体凸起，凸起上富含纳米级氧化铝晶粒；结合层表层铝含量适度提高，有利于促进更快形成致密稳定的氧化铝，并缓解氧化所造成的铝消耗，抑制贫铝带的形成。经过结合层表层熔敷铝膜处理的热障涂层所形成的TGO更加连续均匀，能有效缓解界面区域的应力集中，使得热障涂层的服役寿命提高。本研究是提高热障涂层服役寿命的一个重要研究方向，具有重要的研究意义和社会价值，可以为民用航空器发动机热端部件的持续适航保障以及航空发动机的设计提供科学依据和技术支持。