梯度热障涂层的设计
郭洪波,宫声凯,徐惠彬
航 空 学 报
摘 要:采用电子束物理气相沉积方法(EB-PVD)制备了梯度热障涂层,其结构设计为NiCoCrAlY粘结层/Al2O3-YSZ过渡层/YSZ陶瓷层。YSZ陶瓷层的结构为柱状晶结构,Al2O3-YSZ梯度过渡层为梯度微孔结构。采用有限元方法对梯度热障涂层进行热应力分析,优化了Al2O3-YSZ梯度过渡层的组成。计算结果表明,梯度涂层的内应力显著降低,而且界面及其附近应力和应变变化较平缓。过渡层厚度的增加有利于降低涂层内应力和缓和涂层界面处的应力集中。
关键词:热障涂层;梯度涂层;电子束物理气相沉积;有限元;热传导
热障涂层技术是实现高推比发动机的一项关键技术。在热循环工作条件下早期剥落失效和寿命的不可靠性是当前热障涂层走向实用化所面临的最大的、最迫切需要解决的问题之一。梯度热障涂层技术和电子束物理气相沉积(EB-PVD)制备技术是解决这一问题的最有效的方法,因此也是当前国际上热障涂层领域最前沿的研究方向[1~7]。
本文根据传统双层结构热障涂层在热循环工作过程中存在的一些问题和缺点,设计一种新型梯度结构的热障涂层体系,并采用有限元方法对梯度涂层(主要是梯度过渡层)进行了材料组元的优化设计。
1 梯度热障涂层的结构设计
1·1 梯度热障涂层的宏观结构组成
传统双层结构热障涂层由YSZ(Yttria Stabi-lized Zironia)陶瓷隔热层和金属粘结层组成。在热循环载荷下,涂层的失效往往主要由涂层的界面应力引起,而界面应力的产生主要来源于两方面[8]:一是由于金属粘结层在高温环境下氧化生成TGO(Thermally grown oxides);另一个是金属粘结层与YSZ陶瓷层在涂层界面处物理性能的巨大差异。因此,为了降低涂层界面应力,提高热障涂层的热循环寿命,可以从两方面着手:一方面,提高粘结层的抗氧化性能。研究表明,在粘结层表面预沉积一层抗氧化性良好的Al2O3阻挡层[9],或对粘结层进行真空预氧化处理,在粘结层表面形成致密的Al2O3膜,均可以起到显著降低粘结层氧化速率的作用[10,11];另一方面,消除界面应力,通常采取的措施是在金属粘结层与陶瓷层之间实现成分和结构的梯度化过渡[12~14]。出于以上考虑,设计了基本结构如图1所示的梯度热障涂层。顶层为YSZ陶瓷热层,底层为NiCoCrAlY金属粘结层,在金属粘结层上引入一层Al2O3-YSZ梯度过渡层。这层梯度过渡层首先以抗氧化的Al2O3开始于粘结层的表层,而且在Al2O3-YSZ过渡层和粘结层之间采用“镶入式”界面,然后逐渐以Al2O3-YSZ混合物的形式逐渐向YSZ陶瓷层过渡。与传统双层结构热障涂层相比较,这种梯度结构涂层主要具有以下几方面的优点:
(1)本结构中的Al2O3层是在制备过程中形成的,不但其结构和厚度可以控制,具有良好的阻扩散性,而且在高温热循环条件下氧化层厚度几乎不增加,因而可以提高涂层的高温氧化性能和抗热震性能;
(2)通过在Al2O3与粘结层之间形成镶入式界面将提高层界面的结合强度;
(3)消除了Al2O3与陶瓷层之间的宏观界面,因而,涂层的内应力可以得到一定的降低;
(4)目前最为成熟传统的双层结构热障涂层的制备工艺包括MCrAlY(M代表Ni或Co)的沉积,真空预氧化处理、表面喷丸强化和喷砂处理等一系列工序,而这类梯度结构热障涂层的制备是在工作室中一次完成,因而大大简化了工序。
1·2 梯度热障涂层的厚度选择和微观结构
对于热障涂层来说,陶瓷隔热层的厚度选择主要考虑以下两个因素:①合金基体服役环境所要求的隔热效果;②陶瓷层所产生的应力水平及对涂层使用寿命的影响。在本研究中选择陶瓷层的厚度为80~100μm。
NiCoCrAlY粘结层的厚度选择基于两方面考虑:①对热障涂层应力分布的影响,一般地,粘结层厚度的增加能够缓解陶瓷层及界面的应力,减小这些部位的应变,但是,同时会增加界面附近粘结层内的应力;②粘结层的氧化量,为了保证粘结层的抗氧化性,必须在粘结层表面形成一层连续性的Al2O3保护膜,由于这层氧化膜是在外氧化过程中形成的,Al的外扩散将导致涂层内部Al浓度降低,一旦粘结层厚度过低,将不能持续向外层提供高Al,从而不能保证连续性氧化膜的形成。综合以上考虑,选择粘结层的厚度为40~50μm。
Al2O3-YSZ过渡层厚度的选择主要从降低热障涂层内应力的角度的出发,在下文中将采用有限元方法对热障涂层进行力学分析,优化过渡层厚度。
采用EB-PVD方法制备梯度热障涂层,将在YSZ陶瓷层内形成柱状晶结构,从而极大地提高陶瓷层的容应变能力。同时,由于Al2O3与ZrO2互为异类相,根据“阴影效应”原理[15],当对Al2O3和ZrO2进行共蒸发时,将在基体上沉积得到具有微观多孔结构的Al2O3-YSZ混合层,由于这种微孔结构能够降低材料的导热率[16],因此,与双层热障涂层相比较,这种Al2O3-YSZ梯度热障涂层的隔热性能有望得到进一步提高。
2 梯度热障涂层组成材料的选择
2·1 陶瓷隔热层材料
ZrO2由于具有低的导热系数,并具有陶瓷材料中最接近于金属材料的热膨胀系数,是目前热障涂层应用最广泛的陶瓷隔热层材料。同时,在ZrO2涂层中加入8%Y2O3(质量百分数),能够很好地解决涂层在热循环过程中的组织稳定性的问题[17,18],而且对涂层热导率的影响很小。因此,采用ZrO2-8%Y2O3作为梯度热障层的陶瓷热层材料。
2·2 粘结层材料
金属粘结层的作用主要有两个:一是缓解陶瓷层和基体金属的热不匹配;另一个是提高基体的高氧化性能。由于NiCoCrAlY体系的抗氧化抗热腐蚀综合性能较好,因此,目前飞机发动机叶片所用的热障涂层大多采用这种体系[19,20]。粘结层的成分对热循环过程中氧化层的生长速度、成分、完整性、与基体的结合力和剥落行为有决定作用,因此,粘结层的成分选择对于热障涂层的使用寿命至关重要。研究表明,Ni+Co的组合有利于涂层的综合抗热腐蚀(氧化)性能,Co的含量在20%~26%时,Ni+Co组合的涂层具有最佳的韧性[21]。Cr可以提高涂层的抗热腐蚀能力,当Cr含量达到15%~20%时,可以保护涂层免于I型热腐蚀,而且Cr的存在还可以促进Al2O3的生成。Al可以提高涂层的氧化性能,其含量过低时不能保证涂层的抗氧化性能,而含量过高时,影响了涂层的抗热疲劳性能,其通常的含量在8%~12%。微量元素Y通过钉扎作用和细化晶粒,可以提高Al2O3与涂层的结合力,通常含量在1%左右。基于以上考虑,采用名义成分为Ni-20Co-22Cr-8Al-lY的合金作为粘结层材料。
2·3 梯度过渡层材料
选用Al-Al2O3-ZrO2-8%Y2O3(质量百分数)作为梯度过渡层蒸发源材料,这种材料的选择依据如下:
(1)对于目前的NiCoCrAlY粘结层材料来说,涂层的抗疲劳性能和抗氧化性能是相互矛盾的,为了提高涂层的抗氧化性能,必须要求涂层Al含量较高,但是同时,将导致涂层的韧性显著降低,影响涂层的抗疲劳性能。如选择Al作为梯度过渡层蒸发源的组元之一,当采用EB-PVD方法蒸发Al-Al2O3-ZrO2-8%Y2O3混合源时,Al将首先蒸发出来,并且在NiCoCrAlY粘结层表面的沉积过程中向粘结层内部扩散,实现外部高Al、内部低Al的浓度梯度,这样不但提高粘结层的抗氧化性能,而且能保证粘结层的抗热疲劳性能。此外,由于Al沿粘结层柱状晶界间扩散较快,因此有可能在Al2O3-YSZ过渡层与粘结层之间形成“镶入式”界面,提高涂层界面结合强度。
(2)采用Al2O3作为蒸发组元之一,可以在粘结层表面预先沉积一层具有保护性的氧化膜,从而达到提高粘结层的抗氧化性能的目的。同时,由于此氧化层的厚度和形态均可以通过调节蒸发源中Al2O3组分比和制备参数来控制,因此涂层的制备应力可以控制。
(3)由于YSZ陶瓷层与Al2O3层之间物理性能(如热膨胀系数和弹性模量等)差别较大,因此在热循环载荷中,将在涂层内的宏观界面处形成高的应力集中。根据G.Zinsmeister的理论[21],在电子束蒸发功率一定的情况下,合金中的各组元蒸发速率为其蒸汽压(定义为压力达到13·3322Pa时的温度)比和组分比的函数。利用这一特点,采用EB-PVD方法连续蒸发Al-Al2O3-YSZ混合源,由于PAl>PAl2O3>PZrO2,在一定温度下,Al将首先蒸发出来,随着温度的升高,Al2O3的蒸发速率逐渐增加,而Al的含量逐渐减少,最后蒸发出来的是ZrO2。因此,通过控制蒸发条件,连续蒸发具有一定组分比的Al-Al2O3-YSZ混合源,将在金属粘结层沉积得到梯度过渡层,从而消除涂层宏观界面,降低涂层内应力。
3 梯度热障涂层的组成优化
在下文中,通过有限元方法(Finite Method,简称FM)模拟梯度热障涂层热循环冷却过程中的热应力和应变分布情形,分析Al2O3-YSZ梯度过渡层的厚度和组元浓度分布对热应力大小和分布的影响,从而优化梯度过渡层的厚度和组元的浓度分布,最终为梯度热障涂层实际制备提供理论指导。计算中采用MARC非线性有限元分析软件。
3·1 模型的建立及边界条件
(1)材料性能数据
双层结构和梯度结构的热障涂层的基体材料均采用K3高温合金,粘结层材料为Ni-20Co-22Cr-8Al-lY,陶瓷层材料为ZrO2-8%Y2O3(质量百分数)。基体和粘结层材料均考虑为线弹性。过渡层材料为Al2O3-YSZ的混合物。为了研究Al2O3-YSZ的混合物中组元浓度分布对梯度涂层应力和应变的影响,在此计算中选择了3个分布函数(如图2所示),其中n为浓度分布曲线的形状指数,代表YSZ组元在Al2O3-YSZ过渡层厚度方向上的浓度的分布规律。
过渡层的性能参数采用混合物法则进行计算,即
E(x) = V1E1+ V2E2(1)
ν(x) = V1ν1+ V2ν2(2)
α(x) = V1α1+ V2α2(3)
式中:E(x),ν(x)和α(x)分别为过渡层的弹性模量,泊松比和热膨胀系数;V1和V2分别是过渡层中YSZ和Al2O3的组分比(体积比)。
(2)模型几何尺寸
由于与平板或平面单元相比,圆管能够方便准确地得到节点上的全部应力、应变值,因此,以100mm长的圆管为对象,建立相应的轴对称模型(如图3),其中模型轴向宽度为0·06mm。为了避免涂层界面粗糙度对涂层应力分布的影响在计算中涂层内部所有的界面均采用平滑曲线来模拟,模型界面附近的单元网格如图4所示。
(3)连界条件及初始条件
热边界条件:涂层冷却过程中处于均匀温度场,温度从850℃冷却至750℃。
力边界条件:因为与实际试样相比模型宽度很小,这种情况下两侧边界对整个应力场的影响很大,为避免边界效应,需将模型一侧的节点沿x方向(轴向)位移固定,另一侧通过采用多点自由约束技术,保证边界节点轴向位移协调变形。初始条件:选择850℃为无应力温度。
3·2 计算结果及讨论
传统双层热障涂层的热循环失效经常发生在TGO层内部或TGO层与金属粘结层的界面附近,因此,在对热障涂层的热应力进行有限元分析时,界面及其附近区域是考察的关键。
图5示出了双层和梯度两种热障涂层内部的应力和应变的计算结果。由图发现,在双层涂层内部的NiCoCrAlY粘结层/Al2O3界面以及Al2O3/YSZ界面存在轴向应力和应变的突变,同时,在Al2O3层内部形成了高的压应力集中,最大应力达到了280MPa左右。
与双层涂层相比较,梯度涂层界面处的应力集中得到了一定程度的松弛,界面附近的应力和应变梯度均平缓变化。在Al2O3-YSZ梯度过渡层内,当浓度分布曲线的形状指数不同时,所表现出的应力和应变的分布情况也不同。从界面应力和应变梯度的变化趋势来看,n=0·25时过渡区变化更为平缓一些。两种涂层的径向应力水平远远低于轴向应力水平,这说明热障涂层的寿命主要由轴向应力决定,而且,过渡层组元的浓度变化对涂层径向应力的影响并不明显。
通过对以上3种具有不同组元分布规律的梯度热障涂层的应力模拟和计算表明,过渡层组元浓度分布对涂层轴向应力和应变的水平和分布有显著的影响,当过渡层内YSZ的理想浓度分布形状指数为0·25时,梯度热障涂层内界面附近应力和应变梯度的变化最平缓。
基于以上组元优化,接下来分析了当n保持0·25不变,而过渡层厚度分别为5μm,10μm和20μm时梯度涂层内界面及其附近的应力和应变分布情况,计算结果如图6所示。结果表明,过渡层厚度为20μm,涂层界面及其附近的应力和应变水平最低,应力和应变的梯度变化最为平缓,由此推测,增加过渡层的厚度,有助于降低涂层的内应力。
综合以上分析表明,ZrO2在Al2O3-ZrO2内的理想浓度分布曲线指数为0·25。同时,增加过渡层的厚度有利于涂层内应力的降低。但考虑到过渡层较厚时,工艺实现的可行性较小,所以在试验时确定过渡层的厚度为20μm。为了进一步确定Al-Al2O3-YSZ混合源的组分比,必须首先知道过渡层内Al2O3和ZrO2的大致含量。
4 结 论
(1)梯度热障涂层的基本结构设计为NiCoCrAlY粘结层/Al2O3-YSZ过渡层/YSZ陶瓷层,其中Al2O3-YSZ过渡层的厚度为20μm左右。YSZ陶瓷层的结构为柱状晶结构, Al2O3-YSZ梯度过渡层为梯度微孔结构。在Al2O3-YSZ梯度过渡层与粘结层之间采用“镶入式”界面。粘结层的成分为Ni-20Co-22Cr-8Al-lY;过渡层蒸发源为Al-Al2O3-YSZ,其中,Al2O3和YSZ的大致质量百分数为15%和85%;YSZ陶瓷层的成分为ZrO2-8%Y2O3(质量百分数)。
(2)通过有限元方法对梯度热障涂层进行热应力分析,优化了Al2O3-YSZ梯度过渡层的组成。计算结果表明,当YSZ在Al2O3-YSZ过渡层内的理想浓度分布曲线形状指数为0·25时,梯度涂层的内应力显著降低,而且界面及其附近应力和应变变化较平缓。过渡层厚度的增加有利于降低涂层内应力和缓和涂层界面处的应力集中。
参考文献略
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