熱障涂層失效機(jī)理與壽命預(yù)測研究方法

艾松，劉維兵，趙仕志，楊勇

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川德陽，618000)

熱障涂層失效機(jī)理與壽命預(yù)測研究方法

艾松，劉維兵，趙仕志，楊勇

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川德陽，618000)

文章根據(jù)國內(nèi)外文獻(xiàn)，對熱障涂層失效型式、失效機(jī)理研究方法、壽命預(yù)測方法進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。熱障涂層失效機(jī)理研究方法主要有4種：微觀結(jié)構(gòu)研究方法、斷裂力學(xué)研究方法、有限元研究方法以及熱障涂層試驗(yàn)方法。這4種方法互有裨益，結(jié)合使用，更有利于提高研究分析的準(zhǔn)確度。熱障涂層壽命預(yù)測模型中較為成功運(yùn)用并具有工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)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(jī)理，研究方法，壽命預(yù)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(shè)計(jì)思想是利用陶瓷的高耐熱性、抗腐蝕性和低導(dǎo)熱性，實(shí)現(xiàn)對基體合金材料的保護(hù)。

陶瓷層和金屬基層之間熱膨脹不匹配、工作環(huán)境對涂層頂層的侵害、粘結(jié)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(jī)理、壽命預(yù)測的研究已經(jīng)形成了系統(tǒng)的研究方法，研究內(nèi)容主要包括熱障涂層的成分選擇、結(jié)構(gòu)體系、制備工藝、性能、失效機(jī)理、模擬計(jì)算、損傷分析、壽命評估與預(yù)測等。

1 熱障涂層研究基礎(chǔ)

采用不同材料組分、不同工藝制備的熱障涂層系統(tǒng)，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(jié)層）以及金屬材料基層（Substrate），如圖1所示。

圖1 熱障涂層結(jié)構(gòu)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(wěn)定氧化鋯（ZrO2）（Yttria Stabilized Zirconia，簡稱YSZ）。它是目前最為商業(yè)化應(yīng)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(jié)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(jié)層是為了緩解陶瓷涂層和金屬基體的熱膨脹不匹配，同時(shí)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(hù)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(jié)層的氧化，提高熱障涂層抗熱腐蝕作用，提高陶瓷層與粘結(jié)層的結(jié)合力，提高熱障涂層的熱循環(huán)壽命。但高溫工作過程中，TGO層會(huì)不斷氧化由A12O3轉(zhuǎn)變成以Ni、Cr為主的尖晶石氧化物（非保護(hù)性TGO），其變得相對于其他層材料具有高得多的彈性模量，導(dǎo)致TGO的界面產(chǎn)生很大的殘余壓應(yīng)力，其本身較薄、應(yīng)力集中、容易開裂，應(yīng)力增加到一定程度就容易引起涂層剝落，發(fā)生不可預(yù)測的疲勞失效現(xiàn)象，是熱障涂層失效的重要原因。文獻(xiàn)[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(yīng)先進(jìn)的燃?xì)廨啓C(jī)透平進(jìn)口溫度高達(dá)1 700℃甚至更高的要求,為了提高隔熱溫度、優(yōu)化各層之間溫度和熱應(yīng)力分布，對熱障涂層系統(tǒng)進(jìn)行分層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。目前熱障涂層主要有3種分層結(jié)構(gòu)：雙層系統(tǒng)、多層系統(tǒng)和梯度系統(tǒng)。不同的分層結(jié)構(gòu)具有不同的失效機(jī)理，可參考文獻(xiàn)[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(shù)（Laser Re-melting Technology）；

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

目前最為商業(yè)化應(yīng)用的主要是APS和EBPVD。不同的制備工藝對熱障涂層結(jié)構(gòu)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(dǎo)致涂層失效的裂紋源。

2 熱障涂層裂紋（失效）型式

在文獻(xiàn)[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(wǎng)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(jié)構(gòu)失效型式[3]

這些裂紋型式適用于對熱障涂層不同形態(tài)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(fā)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(shí)的厚度。但迄今為止沒有對TGO臨界厚度具體數(shù)量相一致的看法。Busso的研究認(rèn)為臨界厚度為10 μm，而Echsler研究認(rèn)為失效前的TGO厚度為12 μm。Golam M.Newaz文獻(xiàn)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(jī)理研究方法

熱障涂層失效是燃?xì)廨啓C(jī)高溫部件失效的主要形式，熱障涂層已經(jīng)成為保障高溫部件安全運(yùn)行的關(guān)鍵一環(huán)。一旦熱障涂層失效，將影響整臺設(shè)備，甚至整個(gè)系統(tǒng)的安全運(yùn)行。目前國內(nèi)外熱障涂層失效機(jī)理研究方法，主要包括微觀結(jié)構(gòu)研究方法、斷裂力學(xué)研究方法、有限元研究方法以及熱障涂層試驗(yàn)方法。

3.1 微觀結(jié)構(gòu)研究方法

微觀結(jié)構(gòu)（Microstructure）或微觀機(jī)械（Micromechanical）研究方法，主要采用光學(xué)顯微鏡或掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，簡稱SEM），對經(jīng)過熱機(jī)械循環(huán)載荷試驗(yàn)的TBC樣片進(jìn)行觀察分析，并結(jié)合有限元分析、理論推導(dǎo)，研究分析熱障涂層的失效，進(jìn)行壽命評估。通過SEM或光學(xué)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(jié)構(gòu)的影響；從微觀結(jié)構(gòu)上為熱障涂層理論研究和數(shù)值模擬提供了客觀現(xiàn)象的支持。

這種方法研究點(diǎn)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(jié)構(gòu)，建立結(jié)構(gòu)模型（粗糙度形狀）[4]；（2）BC層氧化以及TGO生長和位移不穩(wěn)定性對裂紋擴(kuò)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(xiàn)[6]研究表明大多數(shù)的研究者都認(rèn)為TGO

3.2 斷裂力學(xué)研究方法

斷裂力學(xué)方法廣泛地應(yīng)用于熱障涂層失效、裂紋的研究。

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

由于熱障涂層內(nèi)部復(fù)雜而又經(jīng)常變化的應(yīng)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(jīng)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(jié)構(gòu)或雙材料結(jié)構(gòu)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(xué)參數(shù)。采用MCCI（Modified Crack Closure Integral Method）方法[7]計(jì)算應(yīng)變能量釋放率G。GⅠ、GⅡ由裂紋尖部應(yīng)力和位移計(jì)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(yīng)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(kuò)展長度。

應(yīng)變能釋放率G強(qiáng)烈依賴于I型和II型裂紋應(yīng)力強(qiáng)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(yīng)力強(qiáng)度因子的比例關(guān)系，記作ψ=tan-1（KⅡ/KⅠ）。

3.3 有限元研究方法

有限元數(shù)值模擬計(jì)算類軟件的發(fā)展對于熱障涂層熱應(yīng)力的研究具有很大的推動(dòng)作用，使得應(yīng)力計(jì)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(xì)觀層次上的應(yīng)力分布以及失效機(jī)理有了更好的認(rèn)識；并能考慮到模型界面形貌起伏這一微觀層次上對于應(yīng)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(shù)值模擬的結(jié)果與實(shí)際測量結(jié)果吻合得越來越好。

熱障涂層有限元方法研究發(fā)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(jì)算模型，這個(gè)模型為后續(xù)的模型優(yōu)化和完善提供了參考。1998年A.M. Freborg利用有限元計(jì)算軟件中生死單元的方法模擬TGO長大的過程。Langer等開發(fā)了OOF（Object Oriented Finite Elements）軟件，其可以基于圖片像素生成有限元網(wǎng)格，可以適用于任何幾何形狀邊界、復(fù)合材料、多孔介質(zhì)、裂紋等的網(wǎng)格生成。

3.4 熱障涂層試驗(yàn)方法研究

熱障涂層不同于一般金屬材料，其組成系統(tǒng)的層狀結(jié)構(gòu)、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(jī)理存在各自不同的影響，僅僅依靠理論分析和數(shù)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(yàn)對于熱障涂層的研究非常重要。

對于熱障涂層的試驗(yàn)，在力學(xué)方面主要采用拉伸、彎曲（三點(diǎn)或四點(diǎn)）、杯突等進(jìn)行強(qiáng)度、疲勞、蠕變、斷裂等試驗(yàn)，并測量結(jié)合強(qiáng)度、涂層彈性模量等材料物性參數(shù)。在涂層熱性能試驗(yàn)方面，進(jìn)行熱震、熱循環(huán)、熱沖擊、隔熱、燃?xì)恹}腐蝕、沖蝕等試驗(yàn)。并采用衍射法、物質(zhì)去除法、曲率法等試驗(yàn)方法測試涂層殘余應(yīng)力。

人們朝著更加接近于真實(shí)服役環(huán)境方向進(jìn)行試驗(yàn)方法的研究。Marion Bartsch等設(shè)計(jì)了TGMF（Thermal Gradient Mechanical Fatigue）高溫樣件熱障涂層試驗(yàn)裝置，能夠模擬航空發(fā)動(dòng)機(jī)在3 min內(nèi)達(dá)到熱機(jī)械疲勞載荷，通過加熱、冷卻、液壓拉伸機(jī)構(gòu)的精確控制，可以實(shí)現(xiàn)不同的熱和機(jī)械載荷以及它們的組合，試驗(yàn)金屬溫度為100～1 000℃。

4 熱障涂層壽命預(yù)測方法模型

目前預(yù)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(gòu)耦合關(guān)系、斷裂力學(xué)、微觀結(jié)構(gòu)觀測、有限元數(shù)值模擬方法的研究結(jié)果。目前在工程應(yīng)用領(lǐng)域具有成功經(jīng)驗(yàn)的壽命預(yù)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(yù)測方法。當(dāng)鋁含量下降到某臨界值時(shí)，保護(hù)性氧化層將不存在，化學(xué)失效開始。通過建立TGO氧化動(dòng)力學(xué)模型或擴(kuò)散模型，已有TBC壽命預(yù)測模型建立。TGO氧化動(dòng)力學(xué)模型即是關(guān)于TGO生長厚度計(jì)算，主要可以參考微觀結(jié)構(gòu)研究文獻(xiàn)。

（2）NASA模型

NASA建立的熱障涂層壽命模型采用Coffin-Manson表達(dá)式：

式中：

N—失效循環(huán)次數(shù)；

Δεi—非彈性應(yīng)變最大允許值；

Δεf—每次循環(huán)引起失效的非彈性應(yīng)變失效量；

b—常數(shù)。

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(shù)，0≤D≤1，失效時(shí)D=1；

σmax—最大平面界面應(yīng)力；

N—循環(huán)次數(shù)；

m、F—根據(jù)試驗(yàn)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(shù)表達(dá)式：

式中：

G—能量釋放率；

C、n—常數(shù)；

D—損傷系數(shù)，按式（6）計(jì)算。

L—分析段的總長度。

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

5 結(jié)論

通過研究大量的國內(nèi)外文獻(xiàn)，了解和掌握了前人關(guān)于熱障涂層的工作以及最新的進(jìn)展情況，歸納總結(jié)出熱障涂層失效與機(jī)理研究方法以及熱障涂層壽命預(yù)測方法與模型。熱障涂層失效與機(jī)理研究方法主要包括微觀結(jié)構(gòu)方法研究、斷裂力學(xué)方法研究、有限元方法研究以及熱障涂層試驗(yàn)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(yù)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(jī)熱障涂層的應(yīng)用與開發(fā)提供系統(tǒng)研究方法指導(dǎo)。

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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(yè)于重慶大學(xué)，現(xiàn)主要從事重型燃?xì)廨啓C(jī)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)與工程應(yīng)用工作。