Нацеленное на явление отслоения термобарьерного покрытия рабочих турбинных лопаток двигателя во время испытательного запуска, данное исследование выявило основную причину отслоения покрытия во время эксплуатации продукта посредством макроскопического наблюдения, анализа морфологии с помощью сканирующего электронного микроскопа и анализа микрокомпонентов энергетического спектра в сочетании с результатами исследования всего технологического процесса, а также выдвинуло предложения по улучшению технологии обработки последующих деталей.
Тепловое барьерное покрытие с электронным лучом физического осаждения из паровой фазы (EB-PVD) широко используется в лопатках авиационных двигателей и стало незаменимой ключевой технологией для лопаток авиационных двигателей. Технология EB-PVD - это технология, которая использует электронный луч высокой плотности энергии для нагрева материала, который должен быть испарен в водоохлаждаемом тигле в вакуумной среде, так что он достигает состояния расплавленной газификации и испаряется на подложку под действием отклоняющего магнитного поля, чтобы конденсироваться в покрытие. Существует много видов структур тепловых барьерных покрытий EB-PVD, включая двухслойную структуру, градиентную структуру и многослойную структуру, из которых наиболее широко используется двухслойное тепловое барьерное покрытие. Двухслойное тепловое барьерное покрытие состоит из керамического верхнего слоя и металлического связующего слоя. Керамический слой в основном играет роль теплоизоляции, а металлический связующий слой в основном играет роль смягчения несоответствия теплового расширения между матрицей и керамическим слоем и повышения устойчивости матрицы к высокотемпературной окислительной коррозии. В реальных рабочих условиях интерфейс между связующим слоем и керамическим слоем образует оксидный слой, основным компонентом которого является -Al2O3, тем самым препятствуя дальнейшей диффузии элементов O в покрытие. Основной проблемой, с которой приходится сталкиваться при нанесении термобарьерных покрытий, является долговечность покрытия, особенно стойкость покрытия к скалыванию, на которую влияют многие факторы, такие как напряженное состояние в керамическом слое, микроструктура связующего слоя, толщина и напряженное состояние слоя TGO и сопротивление разрушению различных интерфейсов между связующим слоем и TGO. В настоящее время признано, что окисление связующего слоя является ключевым фактором, определяющим срок службы термобарьерного покрытия.
1. Процесс и результаты тестирования
1.1 Макроскопическое наблюдение морфологии отслоения покрытия
Через 9 ч после испытания двигателя обнаружено, что покрытие на поверхности рабочей лопатки отслаивается, площадь отслоения превышает нормативные требования. Его макроморфология представлена на рисунке 1.
1.2 Сравнительный анализ покрытия до и после использования
Для дальнейшего анализа причин отслоения покрытия листьев старые листья сравнивали с новыми листьями той же партии, а компоненты покрытия и микроструктуру кончиков лезвий и средних частей каждого листа сравнивали и анализировали в соответствии с положением листьев, показанным на рисунке 2.
1) Сравнение макроморфологии листа. Сравнивались и наблюдались рабочая и новая лопатки, морфология показана на рисунке 3. Отслоение покрытия рабочей лопатки в основном сосредоточено на входной и выходной кромках лопатки вблизи кончика лопатки.
2) Анализ химического состава. Образцы были взяты с кончика лезвия и середины тела лезвия, и металлографические образцы были подготовлены после горячей мозаики. Согласно частям обнаружения, показанным на рисунке 2, компоненты покрытия на каждой части лезвия были проанализированы по энергетическому спектру. Результаты показали, что содержание основного элемента в нижнем слое очищенных листьев было в основном таким же, как и в той же партии неустановленных листьев, но не было никакой очевидной разницы в содержании основного элемента в поверхностном слое.
3) Анализ морфологии покрытия. Металлографические образцы были исследованы с помощью сканирующей электронной микроскопии, и результаты показаны на рисунке 4. Из рисунка видно, что нижний слой лезвия, где покрытие отслоилось, не поврежден, а на нижнем слое осталась некоторая ткань поверхностного слоя. Покрытие оторвано от корня столбчатого кристалла поверхностного слоя, и между поверхностным слоем и нижним слоем находится слой TGO толщиной около 1 мкм. Далее была проанализирована полная структура покрытия в разных положениях лезвия, и микроскопическая морфология от входной кромки до выходной кромки наблюдалась в средней части лезвия. На входной кромке средней части лезвия цилиндрический кристалл поверхностного слоя треснул вдоль корня, что указывает на то, что покрытие начинает отслаиваться на кончике лезвия, а трещина распространяется до середины лезвия. С другой стороны, столбчатые кристаллические структуры поверхностного слоя на задней стороне листа и на выпускном крае сгруппированы вместе, а не распределены перисто, расстояние между столбчатыми кристаллами неочевидно, а основание столбчатого кристалла более рыхлое, чем кончик.
Сканирующая электронная микроскопия была выполнена на разных позициях неустановленных лезвий той же партии, и результаты показаны на рисунке 5. Как видно из рисунка 5, структура покрытия вновь изготовленных листьев такая же, как и у очищенных листьев. Верхний конец столбчатого кристалла плотно распределен, а структура поверхностного слоя образована укладкой слоев. Между поверхностным слоем и нижним слоем имеется очевидный слой TGO, толщина которого составляет около 1 мкм. Наличие слоя TGO между связующим слоем и керамическим слоем на лезвии указывает на то, что во время осаждения керамического слоя в печи присутствует определенное количество O, что способствует образованию слоя TGO, а степень вакуума печи может не соответствовать стандартным требованиям, так что слой TGO сначала образуется на стыке нижнего слоя и поверхностного слоя. В то же время поверхностное керамическое растрескивание вдоль столбчатого кристалла также существует на кончике лезвия.
Процесс нанесения термобарьерного покрытия на лезвие выглядит следующим образом: предварительная обработка поверхности лезвия → многодуговое ионное осаждение основания → вакуумная диффузия → ультразвуковая очистка → вакуумное электронно-лучевое осаждение поверхностного слоя. Во время его обработки как металлический связующий слой, так и керамический слой осаждаются в вакууме, поэтому между связующим слоем и керамическим слоем не должен образовываться слой TGO толщиной около 1 мкм. Существующий процесс подготовки термобарьерного покрытия не содержит слоя TGO для обнаружения ткани, поэтому влияние слоя TGO, образующегося в процессе подготовки, на производительность и срок службы термобарьерного покрытия необходимо продемонстрировать подробно, поэтому здесь нет необходимости вдаваться в подробности. Однако, если степень вакуума в печи не соответствует требованиям, структура и свойства керамической поверхности могут повлиять на срок службы термобарьерного покрытия, что подтверждено экспериментами в данном исследовании.
1.3 Испытание на микротвердость
Твердость керамической поверхности двух видов лезвий была проверена соответственно, и результаты показаны в Таблице 1. Видно, что нет существенной разницы в значении твердости керамической поверхности покрытого лезвия для очистки и неустановленного лезвия в одной и той же партии, что указывает на то, что значение твердости лезвия в одной и той же партии существенно не меняется до и после использования.
1.4 Проверочный тест
Керамический слой покрытия теплового барьера выполняется в процессе физического осаждения электронным лучом. ZrO2 нагревается в вакуумной печи до тех пор, пока он не испарится из слитка, а затем медленно осаждается на поверхность лезвия. Форма и толщина роста керамического слоя обеспечиваются путем управления такими параметрами, как ток, степень вакуума и время осаждения в вакуумной печи. После обзора процесса было обнаружено, что имеются записи о замене проволоки пистолета или масла механического насоса в вакуумной печи, что напрямую влияет на степень вакуума вакуумной печи, а затем влияет на рост столбчатых кристаллов керамического покрытия. Для того чтобы проверить, влияет ли степень вакуума на морфологию и свойства цилиндрических кристаллов керамического слоя, проводятся испытания осаждения различных керамических слоев с использованием параметров процесса, указанных в таблице 2.
Покрытие листа наблюдалось с помощью электронного микроскопа при двух условиях. Результаты показывают, что при том же напряжении, токе и времени осаждения, когда степень вакуума в печи составляет 5×10−4 Торр, керамические столбчатые кристаллы выглядят перистыми или похожими на пшеницу, и между связующим слоем и керамическим слоем отсутствует слой TGO (РИС. 6а). Когда степень вакуума составляла 5×10−3 Торр, столбчатые кристаллы керамического покрытия были грубыми и не имели перьеобразной или шипообразной формы. Микроструктура корня столбчатых кристаллов была относительно рыхлой по сравнению с микроструктурой конца, а микроструктура была похожа на микроструктуру неустановленных листьев, и между связующим слоем и керамическим слоем имелся слой TGO (РИС. 6б). В то же время была испытана твердость керамического покрытия при двух степенях вакуума, и результаты показали, что твердость керамического слоя была выше при степени вакуума 5×10−4 Торр, в то время как твердость керамического слоя, нанесенного при степени вакуума 5×10−3 Торр, была ниже (таблица 3).
2. Заключение
1) Керамический слой неисправного лезвия оторван от корня поверхностного слоя, а структура корня столбчатого кристалла рыхлая, а средняя и верхняя часть столбчатого кристалла сгруппированы и распределены по слоям. Значение твердости ниже, чем у нормального керамического слоя, а структура существенно отличается от структуры нормального столбчатого кристалла с керамическим покрытием.
2) Степень вакуума напрямую влияет на морфологию роста керамического покрытия. Когда степень вакуума соответствует стандартным требованиям, столбчатые кристаллы растут как перья или уши. Когда степень вакуума ниже стандартных требований, корень столбчатого кристалла рыхлый, средняя и верхняя часть столбчатого кристалла плотные, и между связующим слоем и керамическим слоем имеется очевидный слой TGO.
3) Несоответствие керамического слоя неисправного лезвия требованиям эксплуатации вызвано ненормальным состоянием оборудования для физического осаждения, в результате чего структура нанесенного керамического слоя не соответствует стандартным требованиям.
