熱障涂層失效機理與壽命預測研究方法

艾松，劉維兵，趙仕志，楊勇

(東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000)

熱障涂層失效機理與壽命預測研究方法

艾松，劉維兵，趙仕志，楊勇

(東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000)

文章根據國內外文獻，對熱障涂層失效型式、失效機理研究方法、壽命預測方法進行了系統的研究。熱障涂層失效機理研究方法主要有4種：微觀結構研究方法、斷裂力學研究方法、有限元研究方法以及熱障涂層試驗方法。這4種方法互有裨益，結合使用，更有利于提高研究分析的準確度。熱障涂層壽命預測模型中較為成功運用并具有工程應用經驗的主要有鋁損耗模型、NASA模型、Busso模型和Brodin模型等。

熱障涂層，失效機理，研究方法，壽命預測模型

0 引言

所謂熱障涂層通常是指通過特殊制備工藝，噴涂或沉積在耐高溫金屬表面，具有良好隔熱效果的陶瓷涂層。它能使基體材料免受高溫氧化和腐蝕，并能降低基體的工作溫度。熱障涂層的基本設計思想是利用陶瓷的高耐熱性、抗腐蝕性和低導熱性，實現對基體合金材料的保護。

陶瓷層和金屬基層之間熱膨脹不匹配、工作環境對涂層頂層的侵害、粘結層氧化腐蝕是熱障涂層失效的主要形式。國外對于熱障涂層失效機理、壽命預測的研究已經形成了系統的研究方法，研究內容主要包括熱障涂層的成分選擇、結構體系、制備工藝、性能、失效機理、模擬計算、損傷分析、壽命評估與預測等。

1 熱障涂層研究基礎

采用不同材料組分、不同工藝制備的熱障涂層系統，主要由以下幾部分組成：TC層（Top Coat）、TGO層（Thermally Grown Oxide，熱生長氧化物）、BC層（Bond Coat，又稱粘結層）以及金屬材料基層（Substrate），如圖1所示。

圖1 熱障涂層結構示意圖

TC層即熱障涂層的陶瓷層，目前主要采用6%～8%氧化釔（Y2O3）部分穩定氧化鋯（ZrO2）（Yttria Stabilized Zirconia，簡稱YSZ）。它是目前最為商業化應用的陶瓷熱障涂層，具有顯著的隔熱效果，綜合性能最佳。

BC層即粘結層，通常采用MCrAlY涂層。M代表Ni或Co或Ni+Co。加入釔（Y）是為了提高防腐蝕能力。增加MCrAlY金屬粘結層是為了緩解陶瓷涂層和金屬基體的熱膨脹不匹配，同時也為了提高基體的抗氧化性。

位于TC層與BC層之間有一層很薄的主要成分為A12O3的保護性氧化物就稱之為熱生長氧化物（Thermally Grown Oxide，簡稱TGO）。它能夠降低粘結層的氧化，提高熱障涂層抗熱腐蝕作用，提高陶瓷層與粘結層的結合力，提高熱障涂層的熱循環壽命。但高溫工作過程中，TGO層會不斷氧化由A12O3轉變成以Ni、Cr為主的尖晶石氧化物（非保護性TGO），其變得相對于其他層材料具有高得多的彈性模量，導致TGO的界面產生很大的殘余壓應力，其本身較薄、應力集中、容易開裂，應力增加到一定程度就容易引起涂層剝落，發生不可預測的疲勞失效現象，是熱障涂層失效的重要原因。文獻[1]提供了熱障涂層樣本各部分的材料特性，可作為研究參考。

為了響應先進的燃氣輪機透平進口溫度高達1 700℃甚至更高的要求,為了提高隔熱溫度、優化各層之間溫度和熱應力分布，對熱障涂層系統進行分層結構設計。目前熱障涂層主要有3種分層結構：雙層系統、多層系統和梯度系統。不同的分層結構具有不同的失效機理，可參考文獻[2]。

目前熱障涂層制備工藝主要有4種：

（1）等離子體噴涂（Air Plasma Spraying，簡稱APS）；

（2）電子束物理氣相沉積（Electron Beam Physical Vapor Deposition，簡稱EB-PVD）；

（3）激光重熔技術（Laser Re-melting Technology）；

（4）化學氣相沉積（Chemical Vapor Deposition，簡稱CVD）。

目前最為商業化應用的主要是APS和EBPVD。不同的制備工藝對熱障涂層結構具有不同的影響。涂層中存在的疏松與孔洞以及片層界面都可能成為導致涂層失效的裂紋源。

2 熱障涂層裂紋（失效）型式

在文獻[3]中Marcin Bia?as列出了觀察到的典型薄膜（thin films）的失效裂紋型式，主要有：表面裂紋、網狀渠形裂紋、淺表裂紋、穿透厚度裂紋、基底裂紋、分層、散裂、分段裂紋、壓曲裂紋等，如圖2所示。

圖2 普遍觀察到的薄膜結構失效型式[3]

這些裂紋型式適用于對熱障涂層不同形態的裂紋描述，是人們的主要研究對象，針對裂紋形式的不同，分別采用不同的研究方法。生長變厚顯著損耗了BC層的Al，增加了發生裂紋和涂層分層分離的趨勢。TGO臨界厚度定義為TBC涂層完全從金屬基底脫離時的厚度。但迄今為止沒有對TGO臨界厚度具體數量相一致的看法。Busso的研究認為臨界厚度為10 μm，而Echsler研究認為失效前的TGO厚度為12 μm。Golam M.Newaz文獻研究，基于其試件SEM研究和Fick定律，TGO破壞臨界厚度為10.5 μm。

3 熱障涂層失效機理研究方法

熱障涂層失效是燃氣輪機高溫部件失效的主要形式，熱障涂層已經成為保障高溫部件安全運行的關鍵一環。一旦熱障涂層失效，將影響整臺設備，甚至整個系統的安全運行。目前國內外熱障涂層失效機理研究方法，主要包括微觀結構研究方法、斷裂力學研究方法、有限元研究方法以及熱障涂層試驗方法。

3.1 微觀結構研究方法

微觀結構（Microstructure）或微觀機械（Micromechanical）研究方法，主要采用光學顯微鏡或掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，簡稱SEM），對經過熱機械循環載荷試驗的TBC樣片進行觀察分析，并結合有限元分析、理論推導，研究分析熱障涂層的失效，進行壽命評估。通過SEM或光學觀察研究，可以有效地了解和掌握熱障涂層各組成部分在不同階段的變化情況，從金相組織方面可以直觀知道由于TGO生長對于熱障涂層性能和結構的影響；從微觀結構上為熱障涂層理論研究和數值模擬提供了客觀現象的支持。

這種方法研究點主要包括：（1）TC層、BC層、基底間交界面不同形狀的界面形貌微觀結構，建立結構模型（粗糙度形狀）[4]；（2）BC層氧化以及TGO生長和位移不穩定性對裂紋擴展、TBC壽命的影響[5]。其中，BC層氧化、TGO生長厚度的變化是最重要的影響因素。

文獻[6]研究表明大多數的研究者都認為TGO

3.2 斷裂力學研究方法

斷裂力學方法廣泛地應用于熱障涂層失效、裂紋的研究。

由于整個制備工藝過程和工作環境作用，在陶瓷層和粘結層中通常都存在微小的裂紋和多孔結構。這些裂紋缺陷具有強烈的斷裂力學特征，采用斷裂力學研究方法對于深入掌握TBC的強度和韌性具有非常重要的作用。

由于熱障涂層內部復雜而又經常變化的應力場，熱障涂層裂紋要承受I型（張開型）和II型（剪切型）2種經典裂紋“混合模型”行為作用。為了表征混合模型載荷作用下在層狀結構或雙材料結構中這種裂紋的作用力和裂紋的韌性，不同的研究表明：能量釋放率G和相位角ψ是最適合使用的斷裂力學參數。采用MCCI（Modified Crack Closure Integral Method）方法[7]計算應變能量釋放率G。GⅠ、GⅡ由裂紋尖部應力和位移計算，見式（1）、式（2）。

總的能量釋放率G=GⅠ+GⅡ

式中，σyy（r,0）、τxy（r,0）是裂紋尖部應力；υ（Δa-r,π）、u（Δa-r,π）是裂紋尖部位移；GⅠ、GⅡ分別是I型裂紋和II裂紋能量釋放率；Δa是裂紋擴展長度。

應變能釋放率G強烈依賴于I型和II型裂紋應力強度因子KⅠ、KⅡ的比例，無量綱相位角ψ用以表征I型和II型應力強度因子的比例關系，記作ψ=tan-1（KⅡ/KⅠ）。

3.3 有限元研究方法

有限元數值模擬計算類軟件的發展對于熱障涂層熱應力的研究具有很大的推動作用，使得應力計算可以考慮更為全面的因素，其中最主要的是對于熱生長氧化物生成的考慮，并且使得對熱障涂層微觀/細觀層次上的應力分布以及失效機理有了更好的認識；并能考慮到模型界面形貌起伏這一微觀層次上對于應力以及失效模式的影響；以及考慮到材料的一些非線性特性（如蠕變特性、TGO生長特性等），使得數值模擬的結果與實際測量結果吻合得越來越好。

熱障涂層有限元方法研究發展的主要里程有：A.M.Karlsson等建立了包括TC層（TBC）、TGO、BC層和金屬基體的有限元計算模型，這個模型為后續的模型優化和完善提供了參考。1998年A.M. Freborg利用有限元計算軟件中生死單元的方法模擬TGO長大的過程。Langer等開發了OOF（Object Oriented Finite Elements）軟件，其可以基于圖片像素生成有限元網格，可以適用于任何幾何形狀邊界、復合材料、多孔介質、裂紋等的網格生成。

3.4 熱障涂層試驗方法研究

熱障涂層不同于一般金屬材料，其組成系統的層狀結構、縱橫方向異性、TGO氧化生長、材料非線性特性（蠕變特性）都對涂層失效機理存在各自不同的影響，僅僅依靠理論分析和數值模擬還不足以完全掌握熱障涂層的損傷失效、壽命等特性，試驗對于熱障涂層的研究非常重要。

對于熱障涂層的試驗，在力學方面主要采用拉伸、彎曲（三點或四點）、杯突等進行強度、疲勞、蠕變、斷裂等試驗，并測量結合強度、涂層彈性模量等材料物性參數。在涂層熱性能試驗方面，進行熱震、熱循環、熱沖擊、隔熱、燃氣鹽腐蝕、沖蝕等試驗。并采用衍射法、物質去除法、曲率法等試驗方法測試涂層殘余應力。

人們朝著更加接近于真實服役環境方向進行試驗方法的研究。Marion Bartsch等設計了TGMF（Thermal Gradient Mechanical Fatigue）高溫樣件熱障涂層試驗裝置，能夠模擬航空發動機在3 min內達到熱機械疲勞載荷，通過加熱、冷卻、液壓拉伸機構的精確控制，可以實現不同的熱和機械載荷以及它們的組合，試驗金屬溫度為100～1 000℃。

4 熱障涂層壽命預測方法模型

目前預測TBC涂層壽命的方法主要基于TGO生長、材料蠕變、彈塑性、氧化本構耦合關系、斷裂力學、微觀結構觀測、有限元數值模擬方法的研究結果。目前在工程應用領域具有成功經驗的壽命預測模型主要有：

（1）鋁損耗模型

TBC壽命很大程度上依賴于TGO生長，因此可以建立基于鋁損耗的壽命預測方法。當鋁含量下降到某臨界值時，保護性氧化層將不存在，化學失效開始。通過建立TGO氧化動力學模型或擴散模型，已有TBC壽命預測模型建立。TGO氧化動力學模型即是關于TGO生長厚度計算，主要可以參考微觀結構研究文獻。

（2）NASA模型

NASA建立的熱障涂層壽命模型采用Coffin-Manson表達式：

式中：

N—失效循環次數；

Δεi—非彈性應變最大允許值；

Δεf—每次循環引起失效的非彈性應變失效量；

b—常數。

Δεf考慮了高溫對于壽命的影響。NASA模型考慮了TGO生長加厚對于壽命的影響。

（3）Busso等建議模型

Busso等對于APS熱障涂層建議了如式（4）所示的模型：

式中：

D—疲勞損傷系數，0≤D≤1，失效時D=1；

σmax—最大平面界面應力；

N—循環次數；

m、F—根據試驗得到。

（4）Brodin,Jinnestrand和Sj?str?m建議模型

由Brodin,Jinnestrand和Sj?str?m建議的模型采用Paris冪函數表達式：

式中：

G—能量釋放率；

C、n—常數；

D—損傷系數，按式（6）計算。

L—分析段的總長度。

目前世界上對于熱障涂層壽命預測研究已經達到較為成熟的水平，Busso等不僅研究了TBC壽命預測的方法模型，而且還開發出了專門的壽命預測軟件，其壽命預測方法及具體的流程步驟見文獻[8]。

5 結論

通過研究大量的國內外文獻，了解和掌握了前人關于熱障涂層的工作以及最新的進展情況，歸納總結出熱障涂層失效與機理研究方法以及熱障涂層壽命預測方法與模型。熱障涂層失效與機理研究方法主要包括微觀結構方法研究、斷裂力學方法研究、有限元方法研究以及熱障涂層試驗方法研究。這些研究方法既有不同的適用研究范圍，又相輔相承。壽命預測方法模型主要研究了鋁損耗模型、NASA模型、Busso等建議模型、Brodin,Jinnestrand和Sj?str?m建議模型。本文研究為重型燃機熱障涂層的應用與開發提供系統研究方法指導。

[1]Karisson,A.M.Modeling Failures of Thermal Barrier Coatings[J].Key Engineering Materials,2007,333:155-165

[2]Nageswara Rao Muktinutalapati.Materials for Gas Turbines–An Overview,Advances in Gas Turbine Technology[M]. 2011

[3]Marcin Bia?as.Mechanical Modelling of Thin Films Stress Evolution,Degradation,Characterization[J].IPPT Reports on Fundamental Technological Research,2012,1:3-238

[4]姚國鳳,馬紅梅,王曉英,等.熱障涂層界面形貌尺寸與殘余應力的關系[J].金屬熱處理,2005,30(10):43-46

[5]M.Ahrens,R.Va?en,G.Kerkhoff,D.St?ver.Life Time Prediction Model for Plasma-Sprayed Thermal Barrier Coatings Based on a Micromechanical Approach[J].Ceramic Materials&Components for Engines,2007:305-310

[6]Hassan Mohamed.Finite Element Analysis(FEA)Implementation of Thermal Barrier Coating(TBC)Lifetime Prediction Methods[D].Massachusetts Institute of Technology,2009

[7]S.Viswanath,H.V.Lakshminarayana,D.D.Ravindranath.A Modified Crack Closure Integral Method for Calculating Stress Intensity Factors for Cracked Plates Subject to Bending Loads[J].International Journal of Fracture,1989,41（3）: 45-50

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Research Methods of Failure Mechanism and Life Prediction of Thermal Barrier Coatings

Ai Song，Liu Weibing，Zhao Shizhi，Yang Yong
（Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

This paper focuses on research methods of failure mechanism and life prediction of thermal barrier coatings（TBCs）systematically.Generally there are four main research methods including microstructure research method,fracture mechanics method,finite element method,sample and part testing method.Combination of those four methods benefits accuracy of analysis work of TBCs.Life prediction models by NASA,Busso,Brodin,Jinnestrand and Sj?str?m,et al.have high accuracy in engineering practices.

thermal barrier coatings,failure mechanism,research methods,life prediction model

TB30

A

1674-9987（2015）04-0001-05

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2015.04.001

艾松（1973-），男，高級工程師，1996年畢業于重慶大學，現主要從事重型燃氣輪機關鍵技術研發與工程應用工作。