渦輪葉片熱障涂層在CMAS環(huán)境下的失效分析

陳 澤，張志強(qiáng)，韋文濤，田 昊

（中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，沈陽(yáng) 110015）

0 引言

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展，為追求更高的推重比，對(duì)渦輪前溫度也有了更高的要求。目前中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪前進(jìn)口溫度已達(dá)到1800 K以上，遠(yuǎn)高于鎳基高溫合金葉片的承溫極限。為提高渦輪葉片的耐高溫能力，在實(shí)際工程上廣泛應(yīng)用熱障涂層（Thermal Barrier Coatings，TBCs），以降低基體溫度，延長(zhǎng)葉片使用壽命。目前中國(guó)使用的熱障涂層多由8YSZ（6%~8%YO部分穩(wěn)定ZrO）隔熱陶瓷層和MCrAlY金屬粘結(jié)層2部分構(gòu)成，通常噴涂厚度為100~500μm，可使葉片基體表面溫度降低100~300℃，使得渦輪葉片能夠在較高的溫度環(huán)境中正常工作，極大地延長(zhǎng)了渦輪葉片的使用壽命。

但是在實(shí)際工程中，熱障涂層的使用還存在很多問(wèn)題。DAROLIA、Kr?mer等發(fā)現(xiàn)熱障涂層的實(shí)際工程工作環(huán)境不同于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際使用環(huán)境的空氣中通常有較多的粉塵、沙礫、火山灰及其他雜質(zhì)，會(huì)在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)隨空氣一起進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)中，渦輪部位的高溫工作環(huán)境使得這些外來(lái)物熔化為熔融態(tài)堵塞氣膜孔、附著在涂層表面或侵蝕到陶瓷層甚至是金屬粘結(jié)層內(nèi)部；楊?yuàn)櫇嵉妊芯堪l(fā)現(xiàn)這些環(huán)境沉積物的主要成分為CaO、MgO、AlO和Si O等硅酸鋁鹽，簡(jiǎn)稱為CMAS；CLARKE等、GLEDHILL等和SONG等研究表明，這些環(huán)境沉積物的附著、撞擊與侵蝕會(huì)造成氣膜孔堵塞，降低冷效、陶瓷層應(yīng)力失配失效脫離或熱障涂層被溶解而失效。

本文主要研究了在實(shí)際工程應(yīng)用中8YSZ渦輪葉片熱障涂層表面CMAS沉積物的分布規(guī)律和成分特征，以及對(duì)由CMAS沉積物附著、侵蝕等方式引起的失效模式進(jìn)行總結(jié)和分析。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選取某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪導(dǎo)向葉片和轉(zhuǎn)子葉片，在其上噴涂雙層結(jié)構(gòu)熱障涂層：金屬粘結(jié)層為使用真空電弧鍍制備的NiCrAl Y涂層，厚度為10~100μm；陶瓷層為采用APS或EB-PVD制備的8YSZ陶瓷層，厚度為50~300μm。

1.2 試驗(yàn)方法

將帶熱障涂層的渦輪葉片裝在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行500 h地面臺(tái)架試車(chē)。試車(chē)后將試驗(yàn)葉片取下，解剖高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片（如圖1所示）和高壓渦輪導(dǎo)向葉片（如圖2、3所示）。

圖1 高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片解剖位置

圖2 高壓渦輪導(dǎo)向葉片解剖位置及分區(qū)

將試驗(yàn)件解剖后，采用配有能譜儀（Engvgy Dispersive Spectros Copy，EDS）的掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）對(duì)涂層截面進(jìn)行微觀形貌與成分分析，測(cè)量熱障涂層表面附著物的厚度及成分，并對(duì)深入陶瓷層內(nèi)部的CMAS成分和結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)分析。

圖3 氣膜孔解剖位置

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 CMAS分布規(guī)律及成分特征

熔融態(tài)的粉塵、沙礫及其他雜質(zhì)隨著高溫燃?xì)膺M(jìn)入渦輪部件后大量依附在渦輪葉片上，由于葉片不同部位的結(jié)構(gòu)、溫度等條件不同，CMAS的附著情況也有所不同。

2.1.1 CMAS分布特征

對(duì)高壓渦輪導(dǎo)向葉片進(jìn)行試車(chē)后發(fā)現(xiàn)熱障涂層表面被CMAS附著物大面積覆蓋，經(jīng)對(duì)其進(jìn)行解剖、觀察、測(cè)量、分析，得到其宏觀分布規(guī)律和特征：葉片葉身和緣板均附有大量紅褐色或黃褐色的附著物。其中葉盆面附著物較多且厚度不均勻，在葉片高度方向，越靠近上下緣板根部，附著物越厚，而葉身中部的附著物最薄；在葉片寬度方向，進(jìn)氣邊的附著物較厚，排氣邊的附著物較薄。通過(guò)觀察微觀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)附著物結(jié)構(gòu)疏松，呈熔融泥狀分布，進(jìn)氣邊附著物局部呈油亮橘皮狀（如圖4所示），排氣邊附近的附著物顆粒尺寸較大。

圖4 導(dǎo)向葉片進(jìn)氣邊附著物

高壓渦輪工作葉片經(jīng)試車(chē)使用后，葉片表面均有不同程度的附著物黏附，且附著物的分布特征基本相同，其主要分布規(guī)律和特征如下：附著物顏色均呈黃褐色或淺黃色，其厚度不均勻，葉盆面較厚、葉背面較薄，與導(dǎo)向葉片的相似；葉盆面附著物厚度也不均勻，葉尖較薄、葉根較厚。在葉盆面距葉尖約35 mm的范圍內(nèi)附著物致密，厚度較薄，有多處附著物呈長(zhǎng)條狀或塊狀凸起；在葉根至距葉尖35 mm區(qū)域內(nèi)，附著物較疏松，厚度較厚，表面粗糙，呈不規(guī)則凸起狀，呈一定取向分布，整個(gè)葉盆面上的附著物有大量的呈薄片狀脫落特征，如圖5所示。

圖5 工作葉片葉盆面附著物宏觀形貌

附著物厚度較薄處的附著物顆粒細(xì)小，分布均勻，組織致密，表面較光滑，如圖6所示；而附著物較厚處的結(jié)構(gòu)則較疏松，大都呈塊狀不均勻分布；附著物顆粒與涂層表面結(jié)合緊密，微觀上具有高溫?zé)Y(jié)熔融特征，如圖7所示。

圖6 附著物較薄處結(jié)構(gòu)微觀形貌

圖7 附著物較厚處結(jié)構(gòu)微觀形貌

2.1.2 CMAS成分分析

根據(jù)葉片表面CMAS分布特點(diǎn)，本次試驗(yàn)選取圖2（b）中葉盆面l處1點(diǎn)、k處5點(diǎn)、i處8點(diǎn)，葉背面b處2點(diǎn)、d處4點(diǎn)、f處3點(diǎn)的CMAS成分進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并與國(guó)外的民用發(fā)動(dòng)機(jī)CMAS成分及某型發(fā)動(dòng)機(jī)服役后CMAS成分進(jìn)行對(duì)比，具體成分占比見(jiàn)表1；去除積碳和少量雜質(zhì)及磨屑的影響，外來(lái)的CMAS附著物成分比例見(jiàn)表2。

表1 2種發(fā)動(dòng)機(jī)與本次試驗(yàn)的CMAS部分成分對(duì)比wt%

表2 2種發(fā)動(dòng)機(jī)與本次試驗(yàn)的CMAS主要成分?jǐn)?shù)對(duì)比wt%

從表1中可見(jiàn)，本次試驗(yàn)除了積碳外，葉盆面附著物的主要成分為CaO-MgO-AlO-SiO和FeO。此外本次試驗(yàn)的附著物中還有少量的TiO和NiO，來(lái)源于低壓及高壓壓氣機(jī)磨屑，主要是由于葉尖和封嚴(yán)涂層等磨損產(chǎn)生碎屑，在高溫燃?xì)庵醒趸⒊练e到高導(dǎo)葉片表面。與國(guó)外民用發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)相比，本次試驗(yàn)CMAS主要成分中AlO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，SiO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，中低溫部件轉(zhuǎn)子碰摩產(chǎn)生的磨屑影響較大，其中FeO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高；與某型發(fā)動(dòng)機(jī)服役后CMAS成分?jǐn)?shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，本次試驗(yàn)CMAS主要成分中CaO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，SiO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，積碳現(xiàn)象更為明顯。CMAS沉積物中C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著升高，其原因是航空煤油未充分燃燒，存在大量積碳，對(duì)涂層表面紅外輻射特性產(chǎn)生一定影響，會(huì)加劇紅外輻射傳熱影響，改變涂層表面溫度及溫度場(chǎng)。以上CMAS附著物成分的差異可能與發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)、試車(chē)條件和環(huán)境因素直接相關(guān)，但CMAS主要成分仍然以CaO和SiO為主，Ca離子擴(kuò)散會(huì)對(duì)陶瓷層產(chǎn)生明顯損傷，而SiO復(fù)合氧化物具有低熔點(diǎn)特性，會(huì)加劇涂層的失效。

表3 葉盆面與葉背面CMAS平均成分對(duì)比 wt%

相對(duì)葉盆面而言，葉背區(qū)域的積碳量相對(duì)葉盆面的明顯增加（見(jiàn)表3），AlO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯升高，而低熔點(diǎn)SiO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯降低。

2.2 CMAS引起的TBCs失效

2.2.1 CMAS對(duì)氣膜孔的堵塞

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得知，葉片前緣與葉盆中部的CMAS附著情況嚴(yán)重，導(dǎo)致部分氣膜孔堵塞，不能起到冷卻作用，導(dǎo)致葉片局部溫度過(guò)高，熱障涂層燒結(jié)脫落失效。

按圖3對(duì)高壓渦輪導(dǎo)向葉片進(jìn)行解剖，對(duì)不同切割位置觀察到的氣膜孔周?chē)繉游⒂^形貌進(jìn)行了分析可知：第1、4、16排被解剖的氣膜孔未堵塞；而第7、12排氣膜孔有明顯的堵塞情況。

在第7排氣膜孔被解剖的4個(gè)氣膜孔中，1個(gè)孔的外側(cè)孔口部位部分被堆積物堵塞，1個(gè)孔的內(nèi)部完全被堆積物填滿2個(gè)孔的外側(cè)孔口部位完全被堆積物堵死。

第7排氣膜孔剖面局部放大形貌如圖8所示。堵孔物質(zhì)分為淺灰區(qū)和深灰區(qū)2種物質(zhì)，能譜分析結(jié)果見(jiàn)表4。結(jié)果表明，淺灰區(qū)O、Co、Ni等元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，深灰區(qū)O、Si、Ca、Cr、Co等元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高。由能譜分析結(jié)果可知，淺灰色區(qū)域元素主要為粘結(jié)層材料元素，該區(qū)域的氣膜孔堵塞是由涂層噴涂導(dǎo)致的；而深灰色區(qū)域元素組成主要為CMAS的主要元素，該區(qū)域的氣膜孔堵塞是由CMAS附著導(dǎo)致的。

圖8 第7排氣膜孔剖面局部放大形貌

表4 第7排氣膜孔剖面堵孔物質(zhì)能譜分析結(jié)果 wt%

在第12排氣膜孔被解剖的4個(gè)氣膜孔中，2個(gè)孔的外側(cè)孔口部位完全被堆積物堵死，2個(gè)孔內(nèi)部無(wú)堵孔物質(zhì)堆積。

圖9 第12排氣膜孔剖面局部放大形貌

第12排氣膜孔剖面局部放大形貌如圖9所示，堵孔物質(zhì)能譜分析結(jié)果見(jiàn)表5。從表中可見(jiàn)，在堵孔物質(zhì)中O、Al、Cr、Fe、Ni等元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高。說(shuō)明該區(qū)域元素組成主要為CMAS的主要元素，該區(qū)域的氣膜孔堵塞是由CMAS附著導(dǎo)致的。

表5 第12排氣膜孔剖面堵孔物質(zhì)能譜分析結(jié)果 wt%

通過(guò)對(duì)各氣膜孔解剖結(jié)果對(duì)比分析可知：在前緣附近孔壁兩側(cè)均有一定厚度的涂層，其余位置斜孔均是迎著噴涂面方向存在一定的涂層附著，涂層厚度為10~50μm，涂層表面黏附一定厚度的附著物；觀察到的橫截面氣膜孔均被附著物完全堵塞或接近完全堵塞狀態(tài)，對(duì)冷卻氣膜狀態(tài)影響較大；CMAS逐步附著在殘留于斜孔內(nèi)的涂層的表面，直至將氣膜孔完全堵塞，與葉身涂層表面附著物相連接；葉片氣膜孔周?chē)街锖穸茸詈裎恢媒咏?00μm，氣膜孔表面或斜孔露出位置，附著物的沉積應(yīng)該與燃?xì)夥较蚝涂妆趭A角相關(guān)，均呈現(xiàn)附著物垂直于孔壁或孔外側(cè)沉積的現(xiàn)象。

由此可知，在前緣和葉盆等CMAS附著較為嚴(yán)重的區(qū)域，氣膜孔堵塞情況嚴(yán)重，葉片冷卻效率降低，葉片溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生了改變，該區(qū)域的葉身和熱障涂層溫度逐步升高，加速了CMAS離子的滲入和陶瓷層的燒結(jié)，最終導(dǎo)致涂層失效。

2.2.2 CMAS侵蝕涂層

前緣（進(jìn)氣邊）涂層失效后形貌特征如圖10所示。從圖中可見(jiàn)，CMAS侵蝕對(duì)涂層失效影響作用主要如下：附著物已經(jīng)滲入至陶瓷層內(nèi)部，局部陶瓷層有疏松化現(xiàn)象，說(shuō)明CMAS溶解了部分YSZ，如圖10（a）所示；CMAS完全溶解了YSZ陶瓷層，導(dǎo)致粘結(jié)層和基體發(fā)生了明顯的氧化現(xiàn)象（如圖10（b）所示），這是由于前緣氣膜孔嚴(yán)重收縮或堵孔，導(dǎo)致冷卻效果降低，前緣溫度急劇升高，部分CMAS達(dá)到其熔點(diǎn)（1230℃），CMAS滲入陶瓷層內(nèi)部，并逐步侵蝕YSZ陶瓷層，導(dǎo)致YSZ涂層完全溶解在CMAS中，形成疏松“粉狀化”的組織，導(dǎo)致YSZ涂層完全失效。

圖10 前緣（進(jìn)氣邊）涂層失效后形貌特征

圖10（b）局部位置的能譜分析結(jié)果如圖11所示。從圖中可見(jiàn)，CMAS已經(jīng)溶解了YSZ涂層，Ca、Si等元素已經(jīng)完全滲入YSZ內(nèi)部和其下方的氧化物中，由于該位置為氣膜孔斜孔末端，粘結(jié)層較薄且已經(jīng)完全氧化，同時(shí)下方基體中存在較多氧化孔洞；YSZ涂層下方氧化物主要以AlO、CrO為主，CMAS中的Si、Ca已經(jīng)滲入擴(kuò)散到氧化物內(nèi)部，發(fā)生熱化學(xué)反應(yīng)，逐步溶解形成新的復(fù)合氧化物，導(dǎo)致氧化膜阻氧性降低，加速了熱障涂層失效，導(dǎo)致基體氧化腐蝕速率加快。

圖11 CMAS溶解YSZ區(qū)域能譜分析結(jié)果

2.2.3 CMAS附著降低涂層應(yīng)變?nèi)菹?/p>

分析測(cè)量數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，葉片前緣與葉盆處CMAS附著物較厚，其厚度最高可達(dá)400μm以上，葉盆面CMAS厚度達(dá)到陶瓷層平均厚度1倍以上。由于CMAS熱膨脹系數(shù)和YSZ陶瓷層差異較大，同時(shí)CMAS自身具有較高的脆性，CMAS沉積在涂層表面，增加了整體涂層的厚度，在冷熱交替過(guò)程中致使陶瓷層內(nèi)部及涂層界面處應(yīng)力增大，應(yīng)變?nèi)菹尴陆?，?dǎo)致涂層內(nèi)部微裂紋增多，陶瓷層衰減，陶瓷層從層間開(kāi)裂或較薄陶瓷層從界面處剝離，如圖12所示。

圖12 CAMS附著導(dǎo)致YSZ涂層應(yīng)力失配失效

2.2.4 沖擊打斷柱晶

對(duì)于使用EB-PVD噴涂的工作葉片熱障涂層來(lái)說(shuō)，較大的CMAS撞擊會(huì)導(dǎo)致柱狀晶結(jié)構(gòu)的斷裂，如圖13所示。

圖13 柱狀晶打傷形貌

對(duì)葉片涂層剖面檢查發(fā)現(xiàn)，在葉盆面、葉背面，特別是進(jìn)氣邊圓弧至葉背面的頂部區(qū)域內(nèi)，可見(jiàn)表面有不同尺寸的弧形凹坑，典型凹坑的形貌

（如圖13（a）所示）為長(zhǎng)約50μm、深約15μm的勺形，坑底下部的柱晶向一側(cè)彎曲，并有沿45°角的斷裂裂紋，一些凹坑內(nèi)還殘留有附著物，如圖13（b）所示。由以上特征可以判斷，外來(lái)顆粒高速撞擊涂層表面，可將柱狀晶打斜、打斷、打碎，甚至產(chǎn)生45°角裂紋，部分柱晶碎塊脫落，在表面形成凹坑狀脫落坑。當(dāng)外來(lái)顆粒較小，對(duì)涂層表面的沖擊能量較小時(shí)，則只會(huì)使柱晶在表面附近打斷，在壓表面產(chǎn)生平行于表面的微裂紋，如圖13（c）所示。

3 結(jié)論

（1）CMAS附著物在渦輪葉片上的分布受燃?xì)馓匦院蜏囟葓?chǎng)的影響厚度不均，葉盆面較厚，葉背面較薄；靠近緣板處附著物較厚；進(jìn)氣邊附著物較厚，結(jié)構(gòu)疏松，排氣邊附著物較薄，結(jié)構(gòu)致密。

（2）渦輪葉片熱障涂層表面沉積物及氣膜孔堵塞物主要以CMAS為主，同時(shí)還有中低溫部件轉(zhuǎn)子葉片和其對(duì)磨件產(chǎn)生的磨屑生成的FeO、TiO和NiO。另外，附著物中存在大量積碳，會(huì)加劇紅外輻射傳熱影響，改變涂層表面溫度及溫度場(chǎng)，導(dǎo)致涂層失效。

（3）CMAS的侵蝕與附著是熱障涂層實(shí)際工程中的主要失效誘因。在實(shí)際工程中，CMAS的附著會(huì)導(dǎo)致氣膜孔堵塞進(jìn)而降低冷卻效率；侵蝕會(huì)導(dǎo)致熱障涂層表面及內(nèi)部應(yīng)力失配或是YSZ熱障涂層被溶解；沖刷會(huì)導(dǎo)致熱障涂層陶瓷層柱狀晶被沖擊撞斷。最終都將導(dǎo)致熱障涂層失效。