环境沉积物在热障涂层中的渗入动力学及其诱发的涂层脱粘机理研究

Thermal barrier coatings (TBC) are widely used in the blades of gas turbines and air-craft engines to protect the substrate from extremely high temperature. As the rapid increase of inlet temperature, the molten environmental deposits (CaO-MgO-Al2O3-SiO2, CMAS) would adhere at the top surface of TBC, and then infiltrate into the micro-structure of the coating. The infiltration of CMAS would greatly change the thermo-mechanical properties of TBC, and further induce the interfacial debonding. Incorporating the fact that the CMAS infiltration is dependent on the micro-structure and temperature distribution of TBC, a kinetics model for the infiltrating process in electron beam physical vapor deposition (EB-PVD) TBC is developed firstly in this proposal. Based on this model, the effects of some relevant parameters on the infiltration are investigated, and the mechanism for CMAS infiltration is explored. Finally, the effects of CMAS infiltration on the thermo-mechanical properties of the coating are discussed, and the mechanism of CMAS infiltration induced interfacial debonding is concluded. This project aims to provide the theoretical foundation for restraining CMAS infiltration, and ensuring the durability of gas turbines and air-craft engines.

随着燃气轮机（航空发动机）服役温度的快速提升，服役环境中广泛存在的混合氧化物（简称CMAS，其主要成分是CaO-MgO-Al2O3-SiO2），会以熔融态在高温叶片的热障涂层表面沉积，并逐渐渗入涂层内部微结构。CMAS渗入会改变涂层热/力学性质，进而促进涂层与基底间的界面断裂，严重威胁燃机服役安全。本项目拟考虑熔融态CMAS渗入过程依赖于涂层内部的微结构及温度分布的特点，建立CMAS在EB-PVD热障涂层中的渗入动力学模型，分析相关参数对CMAS渗入过程的影响，揭示CMAS渗入机理。进而研究CMAS渗入对涂层自身热/力学性质的影响，以及CMAS渗入对涂层与基底间界面断裂的影响，获取CMAS渗入诱发的涂层脱粘机理，为建立抑制CMAS渗入的有效方法、确保燃机安全服役提供理论基础。

在燃气涡轮发动机服役过程中，环境中广泛存在的混合氧化物（简称CMAS，主要成分包括CaO-MgO-Al2O3-SiO2等），会以熔融态在高温部件的热障涂层表面沉积，并逐步渗入涂层内部的微结构，进而改变涂层微结构及热力学性质，影响涂层的断裂及界面脱粘，对发动机安全服役造成较大威胁。. 本项目围绕CMAS渗入导致的涂层界面脱粘问题，开展了相关研究。主要包括：1）建立了包含EB-PVD涂层柱状微结构和CMAS渗入的力学分析模型，理论预测了CMAS渗入对涂层宏观性质的影响，结果显示CMAS渗入的影响主要体现在其可以极大地增大涂层的宏观面内模量；2）针对涂层的长时高温保温服役工况，系统分析了CMAS渗入作用下涂层在长时高温保温后冷却阶段可能出现的失效模式及相应机理，分析表明在涂层冷却过程中，较大的面内拉伸应力会引发裂纹从涂层表面沿着厚度方向萌生并扩展，而较大的面外拉伸应力会在涂层柱状晶边缘处诱发平行于界面的裂纹谋生并扩展（主要集中于涂层表面附近、CMAS渗入和未渗入交界区、以及靠近涂层底部三个区域）；3）针对涂层的高温热循环服役工况，分析了CMAS渗入对涂层热循环失效过程的影响，发现了随着CMAS的渗入，其导致的涂层面内模量增加会在氧化层循环失稳区域上方的涂层内导致面外拉伸应力降低，即该区域内裂纹萌生扩展的驱动力减弱，但却会导致氧化层失稳区域边缘附近涂层内的剪应力增加，即该区域内裂纹萌生和扩展的动力将增强；4）实验观察了CMAS在高温环境下渗入涂层内部的主要特点，获取了涂层内CMAS渗入反应层厚度随保温时长的变化规律，以及反应层厚度与涂层变形曲率的关系，同时分析发现涂层弯曲变形的曲率以及CMAS渗入涂层的深度均与保温时间近似呈指数关系。. 上述研究结果有望为热障涂层系统的失效分析及寿命预测提供数据支撑，同时对长寿命涂层系统的优化设计提供一定参考。