熱障涂層失效機制和壽命預測研究概述

魏錚 胡捷 上海電氣中央研究院 (200070）

魏錚（1956年～），男，高級工程師，主要從事新材料開發(fā)試驗和應用研究工作。

0 序言

燃氣輪機透平葉片熱障涂層的性能取決于它的隔熱性能和防高溫氧化等性能，而對其在高溫狀態(tài)下的失效機制研究也是熱障涂層研究的重要內(nèi)容之一，闡明熱障涂層失效機制直接關系到熱障涂層服役壽命的預測。導致熱障涂層在服役過程中失效的主要因素包括殘余應力、高溫氧化、燒結(jié)效應及相變、沖蝕與外界物體的撞擊損傷等，而且上述幾方面因素往往共同作用，影響涂層的服役壽命。熱障涂層壽命的預測需建立在闡明涂層失效機制的基礎上，熱障涂層壽命預測系統(tǒng)的建立一般包括判斷關鍵的失效機理、建立應力/應變模型以及根據(jù)應力狀態(tài)和相關的失效標準建立壽命數(shù)學表達式，各種壽命預測模型主要是根據(jù)實驗結(jié)果的經(jīng)驗或半經(jīng)驗公式。

1 熱障涂層失效機制

影響熱障涂層失效剝落的因素眾多，但主要有以下幾個方面：

(1) 殘余應力的作用。熱障涂層是一種典型的多層結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，通常由基體、粘結(jié)層以及陶瓷層組成，涂層在制備過程中及循環(huán)熱考核條件下，由于各層材料間的熱物理性能參數(shù)的差異，涂層內(nèi)會形成較大的熱失配應力；

(2) 高溫氧化的作用。涂層在高溫條件下服役時，粘結(jié)層中的鉻、鋁等元素與陶瓷層中的氧元素在陶瓷層/粘結(jié)層之間處發(fā)生化學反應，生成熱生長氧化物TGO (Thermally Grown Oxide) 層。伴隨TGO的增厚，在陶瓷層/粘結(jié)層界面附近產(chǎn)生的應力是影響涂層性能的最關鍵因素之一；

(3) 燒結(jié)及相變影響。由于熱障涂層在較高溫度下服役，陶瓷層中會發(fā)生燒結(jié)和相變現(xiàn)象，導致涂層中的力學性能諸如彈性模量、硬度及斷裂韌性等力學性能發(fā)生改變，進而影響涂層的服役性能；

(4) 外界物的撞擊及沖蝕損傷。

1.1 殘余應力的作用

熱噴涂涂層的失效形式主要表現(xiàn)為界面“層離”，這不僅與材料界面狀態(tài)有關，還與殘余應力密切相關。以等離子體噴涂制備的涂層的失效為例，其失效主要是發(fā)生在粘結(jié)層與氧化層的界面、氧化層與陶瓷層界面以及陶瓷層的內(nèi)部等位置，其失效機理主要可以歸納為以下四種，如圖1所示[1]。

圖1 熱噴涂涂層的失效機理

(1) 失效機理I：粘結(jié)層界面波峰處產(chǎn)生張應力，在波谷處產(chǎn)生壓應力，并且波峰處的張應力隨著TGO增厚而逐漸增大，導致涂層在粘結(jié)層/TGO層界面波峰處發(fā)生開裂現(xiàn)象。

(2) 失效機理II：由于各層材料間的熱膨脹系數(shù)的不匹配，涂層由高溫冷卻到室溫的過程中會在陶瓷層/TGO層界面的波峰處產(chǎn)生張應力，在波谷處產(chǎn)生壓應力，而波峰處的張應力會促使微裂紋在陶瓷層/TGO層界面波峰處萌生和擴展。

(3)失效機理III：在涂層服役過程中，靠近陶瓷層/TGO層界面附近的陶瓷層內(nèi)產(chǎn)生張應力，當陶瓷層內(nèi)波峰附近處的張應力達到其破壞強度時，微裂紋將在陶瓷層中萌生。

(4) 失效機理IV：氧化初期，當TGO較薄時，TGO的熱膨脹系數(shù)與陶瓷層和粘結(jié)層的不匹配對涂層整體的應力分布影響并不明顯。隨著TGO層的增厚，由于TGO層的熱膨脹系數(shù)相比粘結(jié)層和陶瓷層的都低，當TGO層厚度超過一定值時，會導致界面波峰和波谷處的應力性質(zhì)發(fā)生改變，即波峰處由張應力轉(zhuǎn)為壓應力，波谷區(qū)域由壓應力轉(zhuǎn)為張應力，而這一改變將導致裂紋在陶瓷層內(nèi)的兩波峰間萌生和擴展。

Mao等[2]考慮了陶瓷層的高溫蠕變性能、TGO增厚等因素，推導出了涂層系統(tǒng)平板模型的各層應力隨熱循環(huán)數(shù)目的變化關系。研究表明，由于涂層體系內(nèi)產(chǎn)生了不可逆的材料變形，陶瓷層內(nèi)的應力場隨著熱循環(huán)過程中熱循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸增大，最終可促使界面微裂紋的擴展，進而導致陶瓷層剝落。Ranjbar-Far等[3]基于有限元法研究了界面屈曲的波幅和氧化、材料性能諸如塑性變形、高溫蠕變等因素對涂層應力分布的影響。從圖2可以看出，陶瓷層與粘結(jié)層在冷卻完成后的軸向應力S22隨著TGO的增厚而增大，當TGO層厚1μm時，系統(tǒng)內(nèi)最大張應力與最大壓應力分別為286 MPa、-337MPa；當TGO層厚增加到5μm時，系統(tǒng)內(nèi)最大張應力與最大壓應力分別達到了為511 MPa、-468 MPa。最大張應力的位置出現(xiàn)在粘結(jié)層的波峰處，最大壓應力的位置出現(xiàn)在粘結(jié)層內(nèi)的波谷處，隨著TGO厚度的增加，粘結(jié)層內(nèi)受張應力的范圍會有擴大的趨勢。在陶瓷層內(nèi)，隨著TGO厚度的增加，波峰處的應力由張應力向壓應力發(fā)生轉(zhuǎn)變，并且最大拉應力的位置由波峰處向中間位置發(fā)生移動，因此，TGO厚度增加到一定程度時，還可能在陶瓷層的波峰與波谷的中部位置發(fā)生破壞。

圖2 陶瓷層與粘結(jié)層內(nèi)S22的分布云圖[TGO的厚度為(a)1μm (b)3μm (c)5μm]

1.2 高溫氧化的作用

熱生長氧化層是影響熱障涂層材料熱力學性能和耐久性的關鍵因素。高溫環(huán)境下多孔介質(zhì)氧化鋯陶瓷涂層是氧的良導體，氧通過陶瓷層向粘結(jié)層擴散，與粘結(jié)層中的鋁元素在界面處生成α-Al2O3層，即TGO層。Tolpoygo和Clarke等[4-6]研究表明，當整個材料系統(tǒng)從高溫工作狀態(tài)冷卻到常溫環(huán)境時，涂層與基底間的熱膨脹失配現(xiàn)象在熱生長氧化物層中產(chǎn)生大小為3～6GPa的殘余壓應力。TGO層增厚過程中其本身也產(chǎn)生應力，其值一般小于1GPa，但對材料性能的影響很明顯。TGO層的厚度通常僅為3～10μm，其中積蓄的應變能密度可以相當高，足以誘發(fā)各種使材料破環(huán)和失效的機制。

1.3 燒結(jié)及相變影響

Tsipas和Gong等[7-9]研究表明，熱障涂層在高溫下服役時，陶瓷層會發(fā)生燒結(jié)現(xiàn)象，導致涂層性能發(fā)生改變，如氣孔率降低、熱導率升高及彈性模量增加。燒結(jié)現(xiàn)象還會導致涂層中殘余應力的改變，這也是涂層中垂直于界面的微裂紋擴展的重要機制之一。陶瓷層的相變也是影響涂層失效的重要因素。ZrO2陶瓷存在四方相、單斜相和立方相三種晶型。在熱障涂層的服役過程中，隨著不同階段的溫度變化，ZrO2陶瓷會發(fā)生相變。而單斜相向四方相的轉(zhuǎn)變會導致材料體積發(fā)生改變，在陶瓷層中產(chǎn)生相變應力，成為陶瓷層中微裂紋擴展的重要機制之一。

1.4 外界物的撞擊及沖蝕損傷

熱障涂層的外界物的撞擊及沖蝕損傷主要是指被吸入燃氣輪機中的外界物在氣輪機工作時會撞擊葉片表面的熱障涂層，可導致涂層發(fā)生失效。涂層的失效位置主要在陶瓷層的頂部，但有時也會導致整個陶瓷層發(fā)生剝落現(xiàn)象。Evans和Zhang等[10,11]研究表明，外界物的撞擊不僅會使陶瓷層的微觀形貌發(fā)生嚴重的壓縮變形，從而使陶瓷層內(nèi)發(fā)生剝落現(xiàn)象。此外，有些外界物的撞擊還會使陶瓷層內(nèi)存在的微裂紋沿著涂層厚度方向擴展到陶瓷層/粘結(jié)層界面，并與沿著界面處萌生和擴展的微裂紋發(fā)生連接，最終可導致陶瓷層的剝落。

圖3表示外界物的撞擊及沖蝕損傷的示意。

圖3 外界物體損傷示意

2 熱障涂層壽命預測

建立熱障涂層在不同服役條件下的壽命預測模型，可對涂層體系和噴涂工藝等進行優(yōu)化設計，進而對航天、航空用發(fā)動機的設計有著重要的理論指導意義。壽命預測的建立一般包括以下幾個步驟：判斷涂層關鍵的失效機理和失效位置、建立涂層在服役條件下的應力/應變模型、根據(jù)涂層應力的分布或其他相關失效標準建立壽命預測的數(shù)學表達式。目前為止，國內(nèi)外的各種涂層壽命預測模型主要是基于實驗結(jié)果基礎上建立的經(jīng)驗或半經(jīng)驗公式。

2.1 基于連續(xù)損傷累計的壽命預測模型

熱障涂層的服役過程需要經(jīng)歷不斷的冷熱的工作環(huán)境。涂層在加熱-冷卻過程中，高溫燒結(jié)、TGO的增厚以及各層材料間熱物理性能差異等因素會導致涂層體系中產(chǎn)生的殘余應力不斷的累積，同時涂層的損傷也在不斷的疊加。可通過定義損傷變量的臨界值作為判斷涂層是否發(fā)生失效，進而可從涂層損傷變量的變化和循環(huán)累積的角度建立相應的數(shù)學表達式對涂層的壽命進行預測。

Busso等[12]針對等離子噴涂熱障涂層體系，采用有限元法建立涂層“正弦曲線”界面模型，考慮到燒結(jié)、材料物性參數(shù)不匹配及高溫氧化等因素對殘余應力的影響，基于疲勞損傷主要受涂層體系內(nèi)的軸向應力（垂直于界面方向）的影響，通過有限元計算獲得熱循環(huán)過程中，涂層在界面波峰附近中產(chǎn)生的殘余應力分布。獲得殘余應力的數(shù)值解后，借鑒Chaboche的連續(xù)損傷力學模型，建立基于連續(xù)損傷力學的壽命預測模型：在熱循環(huán)初始階段，定義損傷變量D=0，當涂層系統(tǒng)失效后定義損傷變量D=1，以此來預測涂層的熱循環(huán)壽命。

Liu等[13]基于涂層損傷累積的根本原因在于涂層中殘余應力隨著熱循環(huán)次數(shù)的增加而增加假設前提，結(jié)合熱震實驗和有限元模擬計算，建立如下的熱障涂層壽命預測模型：

其中Nf為失效時的熱循環(huán)數(shù)目，Δσ熱循環(huán)應力的范圍，A與b分別為由熱震實驗數(shù)據(jù)擬合得到的相關參數(shù)。這個模型認為熱障涂層復雜的失效過程可由單一的參數(shù)如殘余應力來確定。

2.2 基于特定參量監(jiān)測的壽命預測模型

國內(nèi)外部分研究人員基于特定參量的變化來預測熱障涂層的使用壽命, 如監(jiān)測聲發(fā)射能量累計、裂紋擴展長度、損傷面積及TGO中應力的變化等。

He等[14]提出了基于斷裂性能的變化模型來預測涂層的壽命，模型中假設當涂層中微裂紋的能量釋放率達到斷裂韌性時，微裂紋將在涂層該區(qū)域發(fā)生擴展并導致涂層失效。其表達式為：

其中Nf為最終熱循環(huán)次數(shù)，N0為臨界熱循環(huán)數(shù)，Гtbc為斷裂韌性，Etbc為彈性模量，L為界面正弦波的半波長，Δα是涂層與基底的熱膨脹系數(shù)差異，ΔT為熱循環(huán)冷卻過程中的溫度差，k為與TGO厚度相關的一個參數(shù)。

Jordan等[15]利用光致熒光法實時監(jiān)測服役過程中在涂層TGO層內(nèi)產(chǎn)生的殘余應力的變化。分別采用回歸分析和神經(jīng)網(wǎng)絡的方法建立了涂層壽命預測的經(jīng)驗模型并與實驗結(jié)果作對比。研究表明采用神經(jīng)網(wǎng)絡法所建立的壽命預測模型更加準確。Barber等[16]利用光致熒光法定性和定量分析了熱障涂層系統(tǒng)的裂紋擴展過程和壽命預測情況。當界面裂紋開裂區(qū)域損傷累計面積達到某一數(shù)值時作為判斷涂層是否發(fā)生失效。所建立的模型預測涂層壽命與實驗結(jié)果相比能較好的吻合。

2.3 基于界面氧化的壽命預測模型

TGO的增厚是導致涂層失效的重要因素之一，可根據(jù)TGO增厚過程中的應力變化建立預測涂層壽命的模型。Miller等[17]基于假設界面氧化是控制涂層壽命的唯一主要因素建立了涂層相應的壽命預測模型。在服役過程中，陶瓷層內(nèi)的殘余應力隨著熱循環(huán)的次數(shù)不斷增加，氧化所產(chǎn)生的殘余應力的積累促使陶瓷層裂紋的萌生和擴展，最終導致涂層失效。

3 結(jié)語

熱障涂層體系是一個復雜的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，熱障涂層的應用環(huán)境苛刻，影響其失效的因素眾多而復雜。因此，研究熱障涂層失效機制需同時考慮多種因素的共同作用。在此研究基礎上，才能建立起更加符合其使役條件的失效及壽命預測模型。

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