熱障涂層服役環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)方法

師俊東, 何 箐

（1．沈陽發(fā)動機(jī)研究所，沈陽 110015；2．中國農(nóng)機(jī)院表面所，北京 100083）

熱障涂層通常應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)高壓渦輪葉片表面，對葉片基體起隔熱防護(hù)和延壽作用，已經(jīng)成為現(xiàn)代航空發(fā)動機(jī)高壓渦輪葉片三大關(guān)鍵制造技術(shù)之一[1-2]。發(fā)動機(jī)高壓渦輪部件服役工況極其惡劣復(fù)雜，通常包括：高壓和高溫燃?xì)猓s40個(gè)大氣壓、1400 ℃ 以上）、極端熱梯度（0.5～1 ℃/μm）和熱流密度、高燃?xì)馑俾剩s1馬赫）以及有害環(huán)境雜質(zhì)（水蒸氣、砂粒、灰塵、鹽類）等（圖1）[3-6]。除上述工況外，高速轉(zhuǎn)動的工作葉片具有彎扭特征和高轉(zhuǎn)速（上萬轉(zhuǎn)），存在復(fù)雜機(jī)械載荷作用。

熱障涂層要獲得更好的使役性能，必須加強(qiáng)組織結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、調(diào)控及其抗衰減退化能力，如涂層隨溫度、時(shí)間和環(huán)境等工況變化產(chǎn)生的界面互擴(kuò)散、陶瓷層燒結(jié)、裂紋擴(kuò)展、熱物性和力學(xué)性能衰減等等[7-10]。傳統(tǒng)研制過程中的上述涂層組織結(jié)構(gòu)及其性能演變規(guī)律的表征多依靠單一高溫載荷下性能變化，通過破壞式顯微分析等常規(guī)測試手段進(jìn)行，不但要開展大量繁瑣的研究工作，而且不能準(zhǔn)確地反映真實(shí)工況下涂層退化行為和使役性能[11-12]。

隨著航空發(fā)動機(jī)渦輪前溫度的不斷提高，環(huán)境因素中的腐蝕介質(zhì)、沉積物和固態(tài)粒子對涂層使役下降的負(fù)面作用越來越被重視。其中CMAS（CaOMgO-Al2O3-SiO2）環(huán)境沉積物已經(jīng)被工程界和學(xué)術(shù)界公認(rèn)為影響涂層早期失效的關(guān)鍵因素之一[13-15]，深入認(rèn)識CMAS對涂層失效影響機(jī)制是涂層材料和工藝優(yōu)化的關(guān)鍵，但復(fù)雜的熱-機(jī)械-化學(xué)損傷作用機(jī)理通過實(shí)驗(yàn)室簡單分析難以準(zhǔn)確獲得。涂層的抗高溫沖蝕性能建立在材料基本成分和涂層組織結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，和涂層顯微硬度、斷裂韌度等參量顯著相關(guān)，上述參量同時(shí)與涂層的熱不匹配性和抑制裂紋擴(kuò)展能力相關(guān)，因而優(yōu)化涂層的抗沖蝕性能，不單單是考慮單一性能提升，還要結(jié)合涂層復(fù)雜工況條件下使役性能進(jìn)行優(yōu)化提升[16-17]。

在上述背景下，科研及工程人員一直致力于尋找一種有效模擬涂層服役環(huán)境的手段及方法，同時(shí)發(fā)展相關(guān)在線評價(jià)和測試涂層性能和組織結(jié)構(gòu)演變規(guī)律的無損檢測手段，更直觀地表征涂層的熱循環(huán)壽命及相對確定涂層使役性能，同時(shí)有效地研究涂層多耦合因素的失效機(jī)制，快速地將相關(guān)數(shù)據(jù)反饋至涂層材料、涂層工藝等環(huán)節(jié)，最終降低研制到實(shí)機(jī)使用過程中風(fēng)險(xiǎn)。目前國內(nèi)外采用激光、火焰、紅外燈等熱源方式，建立了不同形式的耦合工況條件下模擬服役環(huán)境實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)方法，分別針對熱障涂層開發(fā)了紅外熱波、紅外熱成像、聲發(fā)射、交流阻抗譜、拉曼光譜、熒光光譜等無損檢測技術(shù)[18-23]。

1 涂層常規(guī)熱循環(huán)壽命測試

在三代發(fā)動機(jī)之前，由于涂層服役溫度相對較低（8YSZ涂層，服役溫度在1100 ℃左右），該階段主要模擬涂層的抗高溫氧化、冷熱交替循環(huán)，涂層壽命測試方法主要有水淬熱震法（thermal shocked）、熱循環(huán)法（thermal cycling）[24-25]。其中水淬熱震法通常被用來快速評價(jià)涂層的質(zhì)量和抗剝離能力，將樣品在高溫保溫后快速放入水中淬冷，表征涂層的抗剝離能力，通過涂層起始剝離次數(shù)或剝離當(dāng)量尺寸或面積比表征涂層的壽命。目前國內(nèi)外在燃機(jī)和航空發(fā)動機(jī)渦輪葉片熱障涂層生產(chǎn)過程中仍然大量使用水淬熱震法，其優(yōu)點(diǎn)是評價(jià)快速，且一定程度上可以反映涂層質(zhì)量，對于涂層層間/界面結(jié)合情況和涂層抑制裂紋擴(kuò)展能力等均可獲得極端條件下定性的評價(jià)結(jié)果，可在生產(chǎn)過程中甄別工藝和涂層質(zhì)量的明顯偏離。

熱循環(huán)法是利用高溫爐對樣品進(jìn)行保溫（通常10～60 min），利用空冷或風(fēng)扇強(qiáng)冷的方式進(jìn)行循環(huán)實(shí)驗(yàn)，該方式主要考核長期高溫條件及冷熱交替對涂層熱循環(huán)壽命的影響，考核的因素包括界面氧化、界面擴(kuò)散、高溫對陶瓷層燒結(jié)及黏結(jié)層退化、熱不匹配性等，該方法的優(yōu)點(diǎn)是升溫速率、降溫速率可通過不同方式實(shí)現(xiàn)與發(fā)動機(jī)環(huán)境類似，設(shè)備和操作簡易，溫度因素、冷熱交替循環(huán)因素均可實(shí)現(xiàn)模擬，因而廣泛在國內(nèi)外涂層研究、研制過程中大量使用，包括工件表面涂層的熱循環(huán)壽命測試；國內(nèi)外也基于該方法發(fā)展涂層壽命預(yù)測模型；該方法的缺點(diǎn)是基體合金和涂層在高溫下處于等溫環(huán)境，不能有效模擬熱/溫度梯度導(dǎo)致涂層內(nèi)部應(yīng)力梯度。

圖2為超音速火焰/等離子噴涂NiCrAlY/8YSZ涂層熱震（1100 ℃，保溫 5～10 min，（20 ± 5） ℃ 水淬冷，58次，圓片狀試樣）和熱循環(huán)1672 h（1100 ℃，55 min保溫，5 min空冷，圓柱狀試樣）條件下失效后的截面形貌。由圖2可以看出，熱震后由于水介質(zhì)影響，黏結(jié)層中存在較厚的尖晶石相，TGO層厚度可達(dá)20 μm，陶瓷層在淬冷過程中出現(xiàn)了明顯的收縮，陶瓷層以表層逐層開裂剝離和靠近黏結(jié)層界面處陶瓷層開裂為主；熱循環(huán)失效后的等離子噴涂熱障涂層出現(xiàn)了黏結(jié)層的退化（孔洞）、TGO層厚度為2～8 μm（黑色致密氧化鋁+尖晶石相）、陶瓷層燒結(jié)退化及底部靠近TGO層的開裂和微裂紋。通過失效后涂層截面分析來看，上述壽命測試方法在一定程度上可以模擬諸如燒結(jié)、氧化、冷熱交替作用下對涂層失效的相關(guān)作用因素，可用于對比涂層優(yōu)劣。

上述方法在我國的HB 7269、日本JIS H 8451、國際標(biāo)準(zhǔn)ISO14188均進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)定，國內(nèi)外航空發(fā)動機(jī)企業(yè)GEAE、RR、中國航發(fā)也制定了相關(guān)企業(yè)規(guī)范。在常規(guī)熱循環(huán)壽命實(shí)驗(yàn)方面，國內(nèi)外均掌握了相關(guān)測試方法，但國內(nèi)尚存在：（1）設(shè)備及測試條件標(biāo)準(zhǔn)化程度差異，如升溫速率、降溫速率規(guī)定等方面；（2）失效判據(jù)統(tǒng)一等方面存在一定差距。

2 熱梯度模擬及測試方法

2.1 典型熱梯度模擬及標(biāo)準(zhǔn)測試方法

在上述傳統(tǒng)熱震和熱循環(huán)測試的基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步模擬發(fā)動機(jī)真實(shí)工況條件下存在的基材/熱障涂層體系從涂層表面至基材內(nèi)部的溫度梯度/熱梯度，在熱流量、升降溫速率和環(huán)境因素等方面更接近真實(shí)工況，從20世紀(jì)90年代開始，國外逐步搭建了模擬快速升降溫、具有溫度梯度/熱梯度功能的模擬服役環(huán)境實(shí)驗(yàn)平臺，更有效地開展涂層材料優(yōu)選、工藝甄別及接近部分真實(shí)工況條件下的涂層壽命評價(jià)、失效研究。

熱梯度模擬主要的熱源有紅外燈、激光、氧-燃?xì)饣鹧?、氧（空氣?煤油火焰等，一般特征是具有升溫速率高（室溫至1200 ℃，小于20 s）、溫度梯度達(dá)到 200～500 ℃（陶瓷層內(nèi)部為 0.4～1 ℃/μm）、降溫速率快（＜ 90 s，降溫至100 ℃以下）等特征；使用薄片狀試樣（2～4 mm）。實(shí)驗(yàn)室條件下目前較為經(jīng)典的是德國Juelich研究中心搭建的燃?xì)鉄釠_擊裝置[26]（圖 3（a）），該裝置使用氧-甲烷為燃料，具有流量控制、溫度控制和冷卻用壓縮空氣控制的基本功能（圖3（b）），涂層表面（燃?xì)饧訜崦妫┖突w（壓縮空氣冷卻）分別采用具有線掃描功能的紅外測溫儀和熱電偶測溫及控溫，冷卻過程中樣品前后多路氣體共同冷卻，最高冷卻和升溫速率可達(dá)100 ℃/s；基于該設(shè)備和方法針對金屬及其他無機(jī)涂層——在溫度梯度下熱障涂層的循環(huán)加熱試驗(yàn)方法，已于2011年形成了ISO 13123國際標(biāo)準(zhǔn)。采用聲發(fā)射裝置監(jiān)測涂層的開裂剝離信號，利用背冷熱通量計(jì)冷卻裝置設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)涂層隔熱效果的評估（計(jì)算涂層底部溫度，結(jié)合表面溫度測量，獲得涂層隔熱溫度）（圖3（c））。Juelich分析了熱梯度循環(huán)條件下，涂層內(nèi)部最大熱應(yīng)力出現(xiàn)在如圖3（d）典型循環(huán)溫度-時(shí)間曲線的起始冷卻階段；在熱梯度條件下，梯度燒結(jié)和應(yīng)力梯度是導(dǎo)致熱障涂層在熱循環(huán)條件下逐層剝離的主要因素，長時(shí)間的循環(huán)也會導(dǎo)致陶瓷層底層開裂，其涂層的失效形式更接近真實(shí)工況，主要于陶瓷層底部。

北京航空航天大學(xué)、中國農(nóng)機(jī)院表面所、長春應(yīng)化所等單位，先后于2006年左右開始設(shè)計(jì)完善了國內(nèi)的燃?xì)鉄釠_擊熱障涂層熱梯度模擬測試裝置[27-30]，其功能與國外相關(guān)測試裝置類似。相關(guān)的測試裝置和方法在2010年前后在國內(nèi)大量開發(fā)和裝備，湘潭大學(xué)、北京航空材料研究院、北京航空制造研究所、上海交通大學(xué)、西安交通大學(xué)、北京理工大學(xué)等單位均有相關(guān)熱梯度測試設(shè)備，該方法陸續(xù)用于相關(guān)國家級項(xiàng)目研究、技術(shù)指標(biāo)判定中，中國航發(fā)集團(tuán)相關(guān)單位制定了企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，我國的相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)也在制定當(dāng)中。

近十幾年來熱梯度模擬及測試方法又逐步向多工位（高效率）、更高熱流量、多環(huán)境因素耦合和高速焰流、更多性能在線評價(jià)等方面發(fā)展。為了進(jìn)一步提高測試效率，在上述方法基礎(chǔ)上，瑞典VolvoAero[19]設(shè)計(jì)了圓盤裝卡的8工位裝置，其利用交替四工位加熱、四工位冷卻，可同時(shí)進(jìn)行8個(gè)樣品的模擬測試，該方法具有較高的測試效率。意大利Ansaldo[19]分別利用天然氣為燃料，建立了0.5 MW和1.3 MW的熱梯度模擬測試裝置，圓盤狀卡具及多槍加熱，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)20個(gè)樣品裝卡和至少2個(gè)樣品同時(shí)測試，0.5 MW裝置主要用于冷熱疲勞、高溫和長時(shí)氧化條件下的模擬測試；1.3 MW裝置燃?xì)鉁囟冗_(dá)到1200 ℃、速率40～400 m/s、耦合噴射腐蝕介質(zhì)，可以用于高溫合金及陶瓷基復(fù)合材料表面相關(guān)涂層的模擬測試。

2.2 環(huán)境因素耦合熱梯度模擬實(shí)驗(yàn)方法

除燃燒環(huán)境（燃?xì)獬煞?、溫度和速率）是服役環(huán)境模擬裝置需要重點(diǎn)考慮的問題外，CMAS環(huán)境沉積物及海洋環(huán)境下NaCl，Na2SO4等鹽類的模擬也是關(guān)鍵因素之一。德國Juelich研究中心在上述熱梯度模擬裝置基礎(chǔ)上（圖3），優(yōu)化了火焰噴槍結(jié)構(gòu)，在火焰中心噴射鹽類的水溶液或含航空煤油的溶液，模擬熔鹽和航煤中雜質(zhì)在熱梯度冷熱交替循環(huán)過程中對涂層的損傷作用，該裝置也能噴射含CMAS沉積物的懸浮液或溶液，模擬CMAS沉積對涂層損傷作用，通過系統(tǒng)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了熱梯度條件下熱-化學(xué)損傷研究[18-19,26]。20世紀(jì)90年代，NASA在激光加熱模擬方面開展了相關(guān)的工作，利用3.5 kW的CO2作為熱源，實(shí)現(xiàn)熱流的穩(wěn)態(tài)輸入，可以實(shí)現(xiàn)熱障涂層在高熱流密度、高溫度梯度、快速升降溫條件下抗熱疲勞性、涂層熱導(dǎo)率、抗燒結(jié)性能和CMAS對涂層失效影響等的系統(tǒng)研究（圖4）。利用穩(wěn)態(tài)激光熱流技術(shù)，Bansal等[31]分析了稀土元素?fù)诫s的磁鐵鉛礦新型熱障涂層的熱導(dǎo)率和長時(shí)間高溫、高熱流（1600 ℃、100 W/cm2）條件下涂層熱導(dǎo)率變化，獲得了新一代熱障涂層的高溫?zé)Y(jié)導(dǎo)致熱傳導(dǎo)系數(shù)變化規(guī)律。Tan等[32]利用穩(wěn)態(tài)激光熱流技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺對不同溫度、熱梯度條件下涂層的熱傳導(dǎo)特性進(jìn)行了分析，該系統(tǒng)為不同條件下涂層燒結(jié)退化影響特別是接近真實(shí)工況熱梯度條件下的研究提供了新的方法。另外，Zhu等[33]利用穩(wěn)態(tài)激光熱流技術(shù)，結(jié)合CMAS沉積物的涂覆，系統(tǒng)研究了不同涂層在高溫、高溫度梯度和CMAS熔融條件下涂層的失效機(jī)制。我國逐步完善了相關(guān)熔鹽腐蝕和形成了燃?xì)鉄岣g的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，HB7740中規(guī)定了人造海水、航空煤油的爐內(nèi)循環(huán)的燃?xì)鉄岣g方法；針對合金并兼顧涂層的燃?xì)鉄岣g評價(jià)需求，北航、中國農(nóng)機(jī)院表面所等[34-36]近五年也開展了“熱梯度+CMAS沉積物”環(huán)境下的模擬裝置改進(jìn)和方法優(yōu)化，開展了大氣等離子噴涂、電子束物理氣相沉積及兩種工藝表面制備環(huán)境封阻層等涂層的評價(jià)研究，揭示了CMAS耦合模擬服役環(huán)境下，涂層的逐層剝離機(jī)制和表層加速燒結(jié)機(jī)制。

2.3 大型多功能兼顧熱端部件評價(jià)的裝置及方法

相關(guān)研究機(jī)構(gòu)、航空發(fā)動機(jī)制造企業(yè)搭建了大型的復(fù)雜模擬服役環(huán)境實(shí)驗(yàn)裝置，具有大流量、更高熱流量、多環(huán)境因素耦合（CMAS、腐蝕介質(zhì)、沖刷/沖蝕）和與發(fā)動機(jī)環(huán)境接近燃?xì)馑俾实染C合特性，主要利用天然氣、航空煤油或柴油為燃料，一般可以兼顧實(shí)驗(yàn)室條件下不同尺寸樣品甚至熱端部件表面涂層的考核評價(jià)。美國GE，NASA等搭建了多類型、不同燃?xì)馑俾省⒉煌β实膶?shí)驗(yàn)裝置[19,37-38]，該類型裝置特征是燃?xì)獬煞帧⑺俾逝c發(fā)動機(jī)環(huán)境接近；具有大流量噴嘴或使用發(fā)動機(jī)主燃油噴嘴（美國PW給NRL設(shè)計(jì)的裝置）；燃燒器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、空間較大適宜實(shí)現(xiàn)環(huán)境介質(zhì)模擬；熱流量輸入接近真實(shí)工況條件；樣品表面和厚度方向均可實(shí)現(xiàn)接近真實(shí)工況的溫度梯度模擬。美國NASA和GE利用該裝置，測試高熱流、熱梯度等基本條件下氧化鋁砂粒、CMAS沉積物、腐蝕介質(zhì)、高速氣流等單個(gè)或多個(gè)因素影響條件下熱障涂層、環(huán)境障涂層的熱循環(huán)壽命、抗沖蝕性能及分析其環(huán)境因素作用下的失效機(jī)制。國內(nèi)除航空發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)及制造部門具有單管燃燒器部件實(shí)驗(yàn)和涂層冷熱循環(huán)及冷卻效果測試能力外，尚未有其他研究機(jī)構(gòu)報(bào)道掌握該實(shí)驗(yàn)方法。

3 高溫沖蝕

3.1 熱障涂層高溫沖蝕作用機(jī)制

熱障涂層在高溫氣流及固態(tài)粒子作用下高溫沖蝕失效一直是其主要失效模式之一，近年來逐步被重視。發(fā)動機(jī)環(huán)境下固態(tài)粒子對EB-PVD涂層沖蝕失效主要作用有：（1）外來物撞擊（foreign object damage，F(xiàn)OD）；（2）表面壓實(shí)作用；（3）表層橫向裂紋。Wellman[39]揭示了EB-PVD陶瓷涂層彈性機(jī)制與顆粒速率和顆粒尺寸之間關(guān)系（圖5），認(rèn)為EBPVD涂層表層橫向裂紋主要是10～100 μm的粒子高溫沖蝕所導(dǎo)致的，CMAS沉積物顆粒尺寸也多數(shù)集中在該范圍內(nèi)，當(dāng)燃?xì)鉁囟冗_(dá)到CMAS熔點(diǎn)1230～1250 ℃時(shí)，細(xì)小粒子的沖蝕作用轉(zhuǎn)化為CMAS沉積物損傷作用。針對APS涂層，由于其為典型的層狀結(jié)構(gòu)，其沖蝕損傷可以分為三個(gè)等級，低沖蝕速率（顆粒沖蝕區(qū)域有典型損傷，表面連續(xù)沖蝕作用，表層變形等）、中沖蝕速率（顆粒沖蝕區(qū)域周邊擴(kuò)展，裂紋萌生擴(kuò)展及片層剝離）和高沖蝕速率（出現(xiàn)明顯坑狀特征，動能足夠時(shí)，影響小片層剝離區(qū)域產(chǎn)生的表面小孔，導(dǎo)致局部多片層剝離）。很多情況下，由于APS涂層特殊的層狀結(jié)構(gòu)，高速氣流也會導(dǎo)致涂層逐層減薄。

3.2 標(biāo)準(zhǔn)的常溫及高溫沖蝕實(shí)驗(yàn)裝置及方法

涂層的常溫沖蝕典型的測試方法有ASTM-G76和GEAE-E50TF121，其中GEAE標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了三類測試，分別為A：厚度法、B：質(zhì)量法、C：熱障涂層。GEAE采用設(shè)備主要在傳統(tǒng)干噴砂基礎(chǔ)上，利用噴嘴的重新設(shè)計(jì)及裝夾結(jié)構(gòu)、角度調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)在以平均粒徑為50 μm、以氧化鋁為主（含少量氧化硅、氧化鈉、氧化鈣和氧化鎂）的磨粒、在不同壓力下開展沖蝕評價(jià)（圖6（a））。ASTM-G76標(biāo)準(zhǔn)有對應(yīng)的商用化設(shè)備用于沖蝕評價(jià)。目前較為成熟的高溫沖蝕測試方法主要有ASTM-G211-14，可實(shí)現(xiàn)艙室內(nèi)（樣品、噴嘴等）室溫～1000 ℃環(huán)境溫度下的沖蝕性能測試，最高速率可達(dá)到150 m/s，可在15°～90°條件下測試試片表面涂層的抗沖蝕性能（圖6（b））。

Cernuschi等[40]利用商用的高溫沖蝕裝置，分別對（a）多孔APS涂層、（b）垂直裂紋結(jié)構(gòu)APS涂層、（c）改進(jìn)的垂直裂紋結(jié)構(gòu)APS涂層（高能等離子制備，更低孔隙率）、（d）PS-PVD 涂層和（e）EB-PVD 涂層，在 700 ℃，2 g/min 磨料輸送速率、（40 ±5） m/s和（104 ± 3） m/s沖蝕速率下，進(jìn)行了系統(tǒng)地對比分析，結(jié)果表明：90°低速沖蝕時(shí)，不同涂層的抗沖蝕性能 d ＞ c ＞ e ＞ b ＞ a；30°低速沖蝕時(shí)，d ＞ c＞ b ＞ e ＞ a，高速沖蝕時(shí)，c ＞ e ＞ d ＞ b ＞ a。

3.3 高溫高速燃?xì)?固態(tài)粒子高溫沖蝕實(shí)驗(yàn)方法

美國Cincinati大學(xué)和Cranfield大學(xué)[16,41]在涂層沖蝕方面開展了大量的研究工作，各自搭建了高溫沖蝕的模擬實(shí)驗(yàn)裝置，Cranfield大學(xué)采用了電加熱和高速氣體噴槍，Cincinati大學(xué)使用沖蝕測試的風(fēng)洞，采用了燃料燃燒產(chǎn)生高溫燃?xì)獾姆绞?，系統(tǒng)如圖7所示。整個(gè)系統(tǒng)包括：送粉器（A），主氣供給管路（B），燃燒室（C），顆粒預(yù)熱（D），顆粒注射（E），加速風(fēng)洞（F），測試區(qū)（G）和排氣艙（H）。該裝置具有連續(xù)顆粒輸送及重量測量功能，顆粒被二次氣輸送至顆粒預(yù)熱艙后與主氣混合，在燃燒室燃燒的燃?xì)饧訜岷?，攜帶沖刷顆粒的加速燃?xì)?，通過氣流調(diào)節(jié)顆粒速率（激光法在線測量速率），實(shí)現(xiàn)對不同角度條件下涂層的沖蝕測試。

GE和NASA[42-43]早在20世紀(jì)80年代開始開發(fā)和裝備燃燒沖蝕裝置，后續(xù)不斷的改進(jìn)裝置細(xì)節(jié)，利用流體動力學(xué)模擬了燃燒器噴射不同尺寸粒子在距離噴嘴出口不同位置的溫度和速率，以獲得更好的表征評價(jià)效果。該裝置為開放式結(jié)構(gòu)（圖8），其主要由燃燒發(fā)生器、送粉器（用于等離子噴涂的常規(guī)送粉器）、熱空氣和燃料輸送裝置、測溫系統(tǒng)等組成，具有高速燃?xì)猓?.3～1馬赫）、高溫及熱梯度模擬等特點(diǎn)，燃?xì)馓匦耘c真實(shí)工況接近。NASA用該裝置進(jìn)行了大量熱障涂層和環(huán)境障涂層的評價(jià)工作，并用來優(yōu)化熱障涂層以提高抗高溫沖蝕性能。

高溫沖蝕模擬及測試是熱障涂層優(yōu)化改進(jìn)和新型熱障涂層研發(fā)必不可少的關(guān)鍵手段之一，Cernuschi等[44]系統(tǒng)對比了YAG涂層和Gd2Zr2O7涂層的抗高溫沖蝕性能，NASA的Zhu等[33]采用激光熱源和高速沖蝕裝置系統(tǒng)評價(jià)多元稀土摻雜改性YSZ涂層、鋯酸鹽涂層、氧化釔穩(wěn)定氧化鉿涂層、環(huán)境障涂層的抗高溫沖蝕性能，研究了涂層的抗高溫沖蝕失效機(jī)理及發(fā)展優(yōu)化改進(jìn)的抗沖蝕涂層類型。

3.4 國內(nèi)熱障涂層沖蝕實(shí)驗(yàn)方法的發(fā)展

我國幅員遼闊、大氣環(huán)境相對復(fù)雜，目前獲得應(yīng)用的熱障涂層已經(jīng)出現(xiàn)了高溫沖蝕失效的特征，對于進(jìn)一步揭示高溫沖蝕條件下涂層的失效機(jī)制及有效評價(jià)涂層的抗沖蝕性能有迫切的需求。中國航發(fā)集團(tuán)相關(guān)成員單位建立了常溫沖蝕的相關(guān)測試平臺及企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，逐步用于熱障涂層的沖蝕評價(jià)。我國尚未報(bào)道建立有成熟的高溫、高速、熱梯度等耦合條件下的高溫沖蝕裝置，湘潭大學(xué)[45-46]搭建了一型沖蝕裝置，最高設(shè)計(jì)溫度確定為1700 ℃，沖蝕粒子的速率確定為20～300 m/s，可使用粒徑范圍確定為20～500 μm，使用氧-燃?xì)饧訜?，目前已?jīng)初步投入使用，開展了相關(guān)涂層沖蝕失效研究以及相關(guān)仿真分析研究。

4 熱機(jī)械疲勞

對于高壓渦輪工作葉片，通常使用EB-PVD熱障涂層進(jìn)行防護(hù)，存在熱梯度機(jī)械疲勞作用（thermogradient mechanical fatigue, TGMF）。在這一背景下，為了更好地評價(jià)涂層的壽命及研究涂層的失效機(jī)制，很多研究機(jī)構(gòu)發(fā)展了氣氛和工作模式更可控、成本相對發(fā)動機(jī)運(yùn)行環(huán)境更低的實(shí)驗(yàn)裝置。熱機(jī)械疲勞（thermomechanical fatigue, TMF）會影響涂層耐久性，在涂層各層的熱膨脹系數(shù)失配驅(qū)動的蠕變和塑性變形的影響下，涂層會產(chǎn)生開裂、剝落等現(xiàn)象，嚴(yán)重的甚至導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展至合金內(nèi)部，發(fā)生嚴(yán)重發(fā)動機(jī)故障；TGMF方法耦合了涂層外表面至合金內(nèi)部的熱梯度影響，能更為真實(shí)地反饋真實(shí)工況條件，應(yīng)力場更為復(fù)雜和接近真實(shí)工況，相對單一熱梯度測試，涂層具有更低的熱循環(huán)壽命，同時(shí)涂層黏結(jié)層氧化導(dǎo)致的TGO層累積無彈性變形開裂、陶瓷層/黏結(jié)層界面裂紋萌生擴(kuò)展，加速涂層從陶瓷層/黏結(jié)層界面處剝離失效。

用于合金性能評價(jià)的商用化的熱機(jī)械疲勞測試裝置，也可表征合金表面涂層的熱機(jī)械疲勞性能，但這類商用裝置均采用高溫爐或感應(yīng)線圈進(jìn)行加熱，在升溫速率和冷卻速率及溫度、載荷方面可以有效模擬，但針對熱障涂層無環(huán)境因素和熱梯度的模擬。NASA[47-48]早在20世紀(jì)90年代，建立了高、低周疲勞實(shí)驗(yàn)裝置，該裝置使用1.5 kW的CO2激光器進(jìn)行加熱，采用連續(xù)波的方式進(jìn)行低周疲勞測試，采用脈沖激光方式進(jìn)行低周和高周疲勞耦合測試分析，對熱障涂層進(jìn)行了大量的研究，高低周疲勞條件下，陶瓷涂層內(nèi)部裂紋擴(kuò)展速率更快，會造成涂層更多的損傷特征。更進(jìn)一步地，Sabelkin等[49]為了研究合金在燃燒環(huán)境下的蠕變行為，利用超音速火焰噴涂噴槍（2.5馬赫，最高溫度2500 ℃），改造了高溫蠕變測試裝置，實(shí)現(xiàn)對燃燒環(huán)境下單晶合金的蠕變行為研究。

英國帝國理工大學(xué)、美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室、西門子-西屋公司和國內(nèi)的北京航空航天大學(xué)徐惠彬院士團(tuán)隊(duì)等均搭建了該裝置，采用加熱帶、紅外燈或感應(yīng)線圈進(jìn)行加熱，采用紅外熱成像、聲發(fā)射、交流阻抗等無損檢測方式對涂層測試過程進(jìn)行監(jiān)測分析，其中北京航空航天大學(xué)的設(shè)備具有環(huán)境模擬功能和熱梯度模擬功能，可進(jìn)行圓管試樣在熱梯度下的熱-力和環(huán)境耦合條件下實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)溫度和載荷的同步上升或下降。

法國的Institute Ppprim[50-51]改造搭建了MAATRE burner rig裝置（圖9），該裝置具備熱梯度機(jī)械疲勞測試功能，可用于合金及熱障涂層研究；該裝置使用燃?xì)饧訜?、采用壓縮空氣冷卻樣品內(nèi)腔，最高實(shí)驗(yàn)溫度達(dá)到1600 ℃、升降溫速率100 ℃/s、燃?xì)馑俾首罡哌_(dá)400 m/s，其熱機(jī)械疲勞（TMF）測試合金樣品內(nèi)腔和表面均采用熱電偶進(jìn)行測溫，TGMF測試過程中采用紅外熱像儀對涂層表面溫度進(jìn)行測試（對涂層發(fā)射率在不同退火溫度及條件下進(jìn)行校準(zhǔn)），Institute Ppprim利用該裝置開展了大量的熱障涂層在不同載荷及熱梯度條件下的涂層內(nèi)部應(yīng)力及剝離行為的研究，以獲得涂層在熱機(jī)械和熱梯度機(jī)械載荷條件下的失效機(jī)制。

5 結(jié)束語

尋求綜合工況模擬及熱障涂層使役性能評價(jià)方法，和熱障涂層持續(xù)追求耐高溫、高隔熱、高制備效率和低成本等目標(biāo)需求并重，是熱障涂層研究、研制和最終獲得應(yīng)用必不可少的環(huán)節(jié)，也是深入揭示涂層失效機(jī)制，提升涂層性能的關(guān)鍵手段及方法。

（1）熱障涂層是結(jié)構(gòu)復(fù)雜（多界面、多相）、應(yīng)用工況惡劣復(fù)雜的典型，其失效控制因素包括燒結(jié)、相變、氧化、腐蝕、熱應(yīng)力、CMAS沉積物、顆粒沖蝕和外來物撞擊、高溫互擴(kuò)散、熱機(jī)械疲勞等等。搭建不同環(huán)境的模擬服役環(huán)境試驗(yàn)器，是深入揭示涂層失效機(jī)制，有效評價(jià)涂層材料、制備工藝的必要手段，也是降低研制到應(yīng)用周期和風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵技術(shù)。

（2）國內(nèi)外均在熱障涂層服役環(huán)境模擬及測試方法等方面開展了大量的工作，國內(nèi)由于熱障涂層應(yīng)用相對較晚，目前在涂層模擬服役環(huán)境表征評價(jià)技術(shù)方面仍存在較大差距，但在熱-環(huán)境、高溫沖蝕、熱-力-環(huán)境模擬、平臺搭建和涂層表征等方面均開展了一定的工作。

（3）在航空發(fā)動機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)重大專項(xiàng)已經(jīng)上升到國家戰(zhàn)略高度的前提下，結(jié)合材料學(xué)、燃燒學(xué)、力學(xué)、自動控制和測試計(jì)量、發(fā)動機(jī)等學(xué)科優(yōu)勢力量，加大力度發(fā)展有效的熱障涂層模擬服役環(huán)境實(shí)驗(yàn)技術(shù)，是進(jìn)一步提升在役熱障涂層性能和加快新型熱障涂層材料、工藝應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)途徑。

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