基于智能化要求的航空發(fā)動機YSZ熱障涂層高溫導(dǎo)電性能

焦旭東 何金輝

摘要：面向YSZ熱障涂層進(jìn)行高溫導(dǎo)電性能分析，提出可顯著提升高溫電絕緣性的有效方式，即改良優(yōu)化噴涂配方比例，并以計算機仿真技術(shù)對熱障涂層復(fù)合結(jié)構(gòu)的高溫導(dǎo)電性能做了深層探索分析。通過實驗結(jié)果表明，熱障涂層中添加Al：03，可有效提升涂層高溫電絕緣性四個等級，可滿足基于渦輪葉片熱障涂層制作傳感器的個性化需求;以傳感器、熱障涂層為載體的復(fù)合結(jié)構(gòu)，涂層表面?zhèn)鞲衅麟娏鞲邷靥匦约床牧蠈?dǎo)電性、傳感器與涂層結(jié)構(gòu)尺寸整體函數(shù)。

關(guān)鍵詞：智能化;航空發(fā)動機;YSZ熱障涂層;高溫導(dǎo)電性能

中圖分類號：TG154;TQ423.9

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-5922（2020）06-0189-04

0 引言

在航空航天工藝技術(shù)優(yōu)化發(fā)展趨勢下，發(fā)動機渦輪的前進(jìn)口溫度逐漸上升，導(dǎo)致發(fā)動機材料始終處于惡劣環(huán)境中運行，這就直接提高了高溫材料性能整體要求。而熱障涂層作為新型防護(hù)涂層，發(fā)揮著良好的隔熱作用，能促使金屬表層溫度下降，使得燃?xì)鉁囟壬仙娱L使用壽命，是現(xiàn)階段高溫防護(hù)的最佳涂層。因此，熱障涂層材料實現(xiàn)了在航空發(fā)動機、渦輪機等熱端設(shè)備的廣泛應(yīng)用，其可有效防護(hù)高溫基體避免腐蝕、氧化。為實現(xiàn)航空發(fā)動機智能化要求，需在內(nèi)部多項位置安裝傳感器。通過MEMS技術(shù)設(shè)計開發(fā)微傳感器，其體積小，質(zhì)量輕，易于實現(xiàn)在發(fā)動機各位置的科學(xué)布置，有助于獲取精確的、合理的運行參數(shù)，以推動航空發(fā)動機智能化發(fā)展，保障發(fā)動機整體優(yōu)化性能。渦輪葉片表層集成化制造高溫溫度傳感器，需基于渦輪葉片配置高溫電絕緣層。由于從襯底絕緣層導(dǎo)電，表層電學(xué)傳感器會基于襯底導(dǎo)通并聯(lián)電阻造成短路，進(jìn)而降低測量精確度[1]。因此，就高溫環(huán)境狀態(tài)，深入探究了YSZ熱障涂層材料電絕緣降低等現(xiàn)象，基于此通過MEMS技術(shù)制作了高溫溫度傳感器，呈現(xiàn)了多元化高溫導(dǎo)電性能。

1 實驗方法

1.1 涂層噴涂

通過等離子體噴涂方式，制造熱障涂層，將金屬、陶瓷粉輸入高溫火焰持續(xù)加熱，直到變化為熔融或者高塑形態(tài)，基于氣流作用朝前噴涂，利用動能進(jìn)行基體表層沖擊，以制成涂層，同時快速凝固。在航空發(fā)動機渦輪葉片上沉淀過渡材料，以加強葉片金屬基底和陶瓷間的熱應(yīng)力緩沖，在此基礎(chǔ)上利用等離子噴涂YSZ陶瓷材料。噴涂時，使用A1203表層噴砂，然后通過乙醇進(jìn)行超聲波清洗。打底層則選擇CoNiCrAIY粉末，YSZ噴涂時選用APS系統(tǒng)噴涂并沉淀，適度調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)，促使材料通過熔融形態(tài)沉淀在樣品表層，以構(gòu)成涂層。噴涂時，適時調(diào)節(jié)噴涂角度、速率、工藝，以均衡涂層厚度[2]。噴涂相關(guān)參數(shù)具體如表1所示。

選擇三種配方比例，即常規(guī)型;基于30%A1203與60%YSZ構(gòu)成粉末噴涂，以構(gòu)成300μm厚涂層;基于200μm厚YSZ涂層，100μm厚Al203涂層。完成涂層后，以MEMS技術(shù)制造高溫溫度微型傳感器。

面向帶有Al203涂層的噴涂表面，進(jìn)行電鏡掃描與EDS成分詳細(xì)分析。基于SEM圖像可發(fā)現(xiàn)噴涂層面結(jié)構(gòu)均衡性，而通過EDS分析可發(fā)現(xiàn)Al與Zr成分符合噴涂配方比例。其中EDS為點狀譜圖分析時，可觀察到部分區(qū)域原子比是單一化的，即只有Al或者Zr，但是其他區(qū)域則為二者共存狀態(tài)，這就表明，大多數(shù)Al203與Zr0之間為保持獨立的顆粒，而非化合物組分。

1.2 導(dǎo)電性能測量

MEMS傳感器通過高溫連接線與外界外用表銜接，以測量高溫爐熱電偶電壓與熱電阻值，以計算機進(jìn)行測量數(shù)值詳細(xì)記錄。高溫爐可自主控制溫度上升與下降趨勢，基于650-950℃區(qū)域，上下循環(huán)時間大約處于30-60min。溫度循環(huán)主要是為了檢測熱障涂層，以及高溫傳感器與連線溫度的平穩(wěn)性[3]。溫度隨時間循環(huán)變化趨勢具體如圖1所示。

1.3 仿真分析

基于計算機程序模擬仿真渦輪葉片表層MEMS薄膜，熱障涂層結(jié)構(gòu)導(dǎo)電性能，其中材料交界位置網(wǎng)格密度大，主要是由于在此范圍電勢差發(fā)生了較大變化，為確保仿真收斂，需提高計算精確性。基于高溫仿真模擬可知渦輪葉片與熱障涂層的電勢差與電力線密度，通過電流密度積分，可計算得出不同溫度與結(jié)構(gòu)狀態(tài)下具體電流，同時轉(zhuǎn)換為導(dǎo)通電阻[4]。

2 實驗結(jié)果分析

2.1 沉積態(tài)微觀形貔

YSZ熱障涂層具備代表性的EB-PVD涂層柱狀晶結(jié)構(gòu)形態(tài)，此結(jié)構(gòu)可提升熱障涂層應(yīng)變?nèi)蓍撓蓿匝娱L使用壽命。然而因為柱狀晶間隙與熱流走向處于平行狀態(tài)，所以不能切實阻礙熱流擴散到金屬粘結(jié)層。涂層柱狀晶頂層為棱錐形狀，此可保障涂層表層高光潔度，可確保熱端零部件具備良好氣動力學(xué)能。

2.2 熱循環(huán)微觀形貌

熱障涂層通過600次循環(huán)之后并未脫落，然而就沉積態(tài)時而言，柱狀晶結(jié)構(gòu)受等溫氧化燒結(jié)影響明顯變大。此時涂層厚度大約在100-100μm，同時柱狀晶間隙存在裂縫。基于EB-PVD涂層柱狀晶的間隙與熱流走向相平行，所以不能阻擋熱流擴散到金屬粘結(jié)層。在柱狀晶間隙不斷擴大趨勢下，涂層隔熱效果會明顯下降，金屬粘結(jié)層則會快速氧化，形成集中應(yīng)力，以此縮短涂層使用壽命。受高溫影響，受熱應(yīng)力作用，YSZ熱障涂層陶瓷材料表層柱狀晶間極易出現(xiàn)裂縫，一旦裂縫未延長，觸碰到金屬粘結(jié)層，便會直接作用于涂層陶瓷表層與基體熱膨脹間偏差不斷縮小而生成的熱應(yīng)力。然而裂紋延長或者觸碰到粘結(jié)層，外層熱流極易沿著裂縫擴散到粘結(jié)層，以此加快氧化，縮短涂層壽命[5]。

2.3 高溫導(dǎo)電絕緣退化特性

熱障涂層絕緣電阻與白金薄膜電阻溫度變化特性具體如圖2所示。

由上圖可知，受溫度上升影響，涂層電阻指數(shù)降低。處于800℃溫度時，電阻直接下降到大約100Ω，一旦熱障涂層表層傳感器薄膜電阻處于一定范圍，便會造成并聯(lián)電阻誤差，由圖中也可以看出，高溫電阻溫度傳感器的線性越來越差[6]。

2.4 高溫導(dǎo)電絕緣退化模型

以微觀結(jié)構(gòu)表征方式，呈現(xiàn)YSZ熱障涂層柱狀晶結(jié)構(gòu)的具體退化。既有YSZ熱障涂層存在羽毛狀柱狀晶結(jié)構(gòu)，內(nèi)部包含許多境界。在高溫退貨時，羽毛狀柱狀晶結(jié)構(gòu)會退化為鋸齒狀，且柱狀晶內(nèi)部會出現(xiàn)白點形狀空位團(tuán)，沿結(jié)構(gòu)晶界排列。在退火時間不斷延長的趨勢下，鋸齒狀柱狀晶結(jié)構(gòu)變得越來越平滑，相鄰結(jié)構(gòu)逐層結(jié)合，而白點形狀空位團(tuán)變多。在白點形狀空位團(tuán)密度與尺寸雙向增大的形勢下，YSZ熱障涂層柱狀晶結(jié)構(gòu)的體積不斷膨脹，導(dǎo)致相鄰結(jié)構(gòu)接觸愈發(fā)致密，進(jìn)而融合。此外，空位團(tuán)密度與尺寸雙重增大，會造成結(jié)構(gòu)機械性能減弱，如此裂縫則會極易沿空位團(tuán)排序走向逐步擴展，進(jìn)而導(dǎo)致涂層損壞[7]。

2.5 高溫導(dǎo)電絕緣性能優(yōu)化

YSZ熱障涂層制作時，添加Al203，可顯著優(yōu)化涂層高溫導(dǎo)電絕緣性能，即電阻性能具體如圖3所示。 對比分析渦輪葉片表層不同YSZ熱障涂層性能可知，通過選擇不同噴涂配方比例，可提高熱電阻大約2-4個等級，特別是高溫范圍，有利于基于渦輪葉片表層YSZ熱障涂層制作微傳感器[8]。

2.6 高溫狀態(tài)涂層性能分析

不同熱障涂層結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電絕緣性能，以30%A1203與70% YSZ配方比例的粉末噴涂;先噴涂YS2200μm，再噴涂Al203100μm。兩種噴涂方式下熱障涂層的高溫導(dǎo)電絕緣性能都很突出，電阻值高達(dá)lOkQ，符合MEMS微傳感器制造需求。然而由于電阻極易受溫度影響，且熱障涂層試驗后存在剝落問題，這主要是由于熱應(yīng)力失衡。此外，通過簡潔試驗檢測，即高溫后噴涂冷水，實時觀察涂層剝落現(xiàn)象，結(jié)果表明，以30%Al203與70%YSZ配方比例的粉末噴涂涂層與一般涂層都未出現(xiàn)剝落。根據(jù)現(xiàn)階段實驗結(jié)果而言，以30% A1203與70%YSZ配方比例的粉末噴涂，可有效防止熱應(yīng)力引發(fā)的不良現(xiàn)象[9]。

2.7 仿真模擬結(jié)果分析

面向不同溫度范圍仿真模擬涂層高溫導(dǎo)電性能。仿真時，于電極上分別添加1V電壓，沿截面沉淀電流密度，以獲得熱障涂層與渦輪葉片導(dǎo)通電流。高溫狀態(tài)下，YSZ熱障涂層內(nèi)部存在電流，其他溫度下則處于絕緣形態(tài)。熱障涂層流動的電流、電極間距與溫度的關(guān)系[10]具體如圖4、圖5所示。

由上圖可知，高溫狀態(tài)下基于YSZ涂層高溫導(dǎo)電導(dǎo)通，構(gòu)成導(dǎo)通電流，此電流沿著橫向與縱向雙向流動，其中縱向電流通過熱障涂層進(jìn)入渦輪葉片，再傳輸于電極，以此生成總電流，即傳感器、熱障涂層、渦輪葉片電流總和。因此高溫下表層電極間電流與導(dǎo)通十分繁雜，具備橫向與縱向、表層與內(nèi)部等各種電流結(jié)合模式，最終構(gòu)成總電流。在此環(huán)節(jié)，計算機仿真發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

3 結(jié)語

總而言之，基于高溫狀態(tài)以傳統(tǒng)配方比例制作渦輪葉片，其YSZ熱障涂層電絕緣性呈現(xiàn)不斷退化形勢，還會導(dǎo)致MEMS傳感器測量偏差;基于YSZ配方比例添加一定量的A1203，可強化熱障涂層高溫導(dǎo)電性，以此滿足熱障涂層表層使用MEMS傳感器的個性化需求;基于計算機仿真技術(shù)，可仿真模擬渦輪葉片熱障涂層傳感器結(jié)構(gòu)導(dǎo)通電流與相關(guān)機制，其中傳感器電流高溫特性即材料導(dǎo)電性、傳感器與涂層結(jié)構(gòu)尺寸整體函數(shù)。

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作者簡介：焦旭東（1987-），男，陜西西安人，碩士研究生，講師，研究方向：發(fā)動機振動控制、飛機結(jié)構(gòu)修理。