CMAS腐蝕熱障涂層殘余應(yīng)力與斷裂韌性測試分析.pdf

1、熱障涂層(Thermal barrier coatings，簡稱TBCs)是一種高溫防護(hù)涂層材料，它具有良好的隔熱效果，同時具有耐摩擦和耐腐蝕的能力，能夠有效地降低高溫耐熱合金基底的工作溫度，提高渦輪發(fā)動機(jī)的總使用效率，從而被廣泛應(yīng)用于航空、航天等領(lǐng)域。然而，熱障涂層由于其本身的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和惡劣的服役環(huán)境導(dǎo)致涂層過早的剝落。本文研究了在CMAS腐蝕條件下，熱障涂層系統(tǒng)的殘余應(yīng)力沿陶瓷涂層厚度方向的分布和斷裂韌性的變化規(guī)律。研究的具體內(nèi)容如

2、下：
　　第一，采用激光拉曼光譜法對8wt.％Y2O3部分穩(wěn)定的ZrO2(8YSZ)熱障涂層殘余應(yīng)力的軸向分布進(jìn)行了研究，并得到了殘余應(yīng)力在腐蝕條件下和隨熱循環(huán)次數(shù)以及加熱時間改變殘余應(yīng)力的演變規(guī)律。結(jié)果表明：熱障涂層內(nèi)部應(yīng)力分布不均勻，沒有經(jīng)過腐蝕的等離子噴涂陶瓷層表面呈現(xiàn)較小的拉應(yīng)力，沿深度方向變?yōu)閴簯?yīng)力，且壓應(yīng)力逐漸增大。受高溫氧化的陶瓷層應(yīng)力隨著加熱時間的延長而增大。受高溫腐蝕后的熱障涂層表面應(yīng)力增大，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，

3、靠近表面深度的壓應(yīng)力不斷減小，靠近界面的應(yīng)力變化較小。物理氣相沉積方法制備的熱障涂層壓應(yīng)力要大于等離子噴涂熱障涂層，隨著腐蝕及熱循環(huán)處理，具有與其類似的變化過程。
　　第二，用Vickers壓痕法對APS熱障涂層腐蝕前后的陶瓷表面進(jìn)行了壓痕測試，得到其斷裂韌性變化。采用考慮殘余應(yīng)力對應(yīng)力強(qiáng)度影響的LEM模型來分析熱障涂層表面的斷裂韌性。維氏壓痕實驗結(jié)果表明，在117N的壓制載荷下，用LEM模型計算得到的熱障涂層表面腐蝕前后斷裂韌性

4、從2.15MPa·m1/2變化到3.45MPa·m1/2，表面殘余應(yīng)力從-79.6MPa變化到-180.7MPa，經(jīng)過腐蝕的陶瓷層表面斷裂韌性相比未經(jīng)腐蝕的有所增大，殘余應(yīng)力也有同樣的增大趨勢，表明熱障涂層表面的力學(xué)性能受到了腐蝕影響。
　　第三，用Vickers壓痕法對APS8YSZ熱障涂層界面進(jìn)行了壓痕測試。采用考慮殘余應(yīng)力對材料斷裂韌性的影響的界面壓痕模型得到了腐蝕前后熱障涂層界面的斷裂韌性變化。熱障涂層樣品經(jīng)過長時間高溫腐

5、蝕作用，使腐蝕物滲透到一定深度，采用LEM界面壓痕斷裂力學(xué)模型分析了熱障涂層界面的斷裂韌性。通過對熱障涂層腐蝕前后界面的斷裂韌性測試，在49N的壓制載荷下，界面處的斷裂韌性從0.12MPa·m1/2變化到0.72MPa·m1/2，殘余應(yīng)力值從-44.8MPa變化到-268MPa。利用納米壓痕法，考慮尺寸效應(yīng)對硬度的影響，測試了基底的硬度及楊氏模量。
　　總之，熱障涂層中的殘余應(yīng)力是影響整個涂層壽命的重要因素之一，在本文中，我們研究