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          高溫氧化物陶瓷涂層的熱震實驗及失效分析

          2019-7-1 8:28:43      點擊:
          在熱震條件下,涂層受力狀態非常復雜。一般來說,在加熱階段,涂層中陶瓷受拉應力,金屬受壓應力,拉應力導致陶瓷內產生裂紋或開裂;冷卻階段,涂層中陶瓷受壓應力,金屬受拉應力,金屬內也可能產生裂紋或開裂;反復氧化物加熱和冷卻,循環熱應力導致涂層內裂紋的產生和擴展,最終導致涂層的破碎或剝離。高溫陶瓷涂層本身具有的脆性、陶瓷涂層與金屬基材之間的楊氏模量和熱膨脹系數的差異都會導致熱障涂層系統產生很大的殘余應力,這使得熱震過程中易發生涂層的剝落。另外,在熱震過程中,過渡層上生成的脆性氧化物保護膜很容易被破壞,氧通過裂紋向內傳輸,使靠近裂紋的過渡層不斷氧化,生成更多的不穩定的氧化物,這也是涂層失效的一個重要原因。有文獻指出,熱震時,基材與過渡層之間、過渡層與表面涂層之間均會生成熱生長氧化物(TGO),有些原始裂紋就是從這兩個區域里產生的。盡管最終涂層不一定從TGO 那里產生剝落,但是基材和過渡層交界處的TGO對涂層的剝落具有很大的影響,這是因為TGO的脆性比表面涂層高、熱膨脹系數比表面涂層低,會增加基材與過渡層之間的物理性能的不匹配程度。
          氧化鋁陶瓷涂層
          將用鎳鉻鋁過渡層粉和AT13粉及等離子工藝制備的熱障涂層(過渡層厚度約 0.04~0.10mm,表面涂層厚度約 0.15~0.35mm)試樣各一批放入900℃的箱式電阻爐,保溫 15 分鐘后淬入清水中冷卻至室溫,待試樣干燥,循環進行上述熱震實驗操作。每熱震 10 次之后保留試樣各一塊,利用數控電火花切割機床從這兩組熱震試樣上分別切割下 10mm×10mm×5mm 大小的試樣各一塊,鑲嵌后進行打磨、拋光,制備好的試樣用于觀測熱震試樣涂層的截面變化狀況。剩余的熱震試樣可直接用于表面微觀形貌的檢測。
          結果發現:涂層在熱震實驗第40次后,出現了四周、邊緣處的剝落,逐漸導致失效。
          氧化鉻陶瓷涂層
          熱障涂層熱氧化、熱震失效的原因主要有:一是噴涂的過程中過渡層和表面涂層里殘存的氣孔是裂紋的發源地;二是過渡層、表面涂層與金屬基材之間的楊氏模量和熱膨脹系數的差異導致熱障涂層系統產生很大的殘余應力,加快了涂層系統的剝落;三是表面涂層制備過程中的急熱急冷使得噴涂粉料發生了相變,這種相變會增加涂層的內應力和空隙率,加劇裂紋的擴展;四是基材、過渡層、表面涂層彼此的界面處生成的 TGO 會增加基材、過渡層、表面涂層彼此之間物理性能的不匹配程度和應力值,導致涂層的破碎或剝離。另外,在熱震的過程中,涂層和金屬反復地分別受到拉應力與壓應力的作用,循環熱應力導致涂層內裂紋的產生和擴展,由于等離子噴涂的涂層本來就屬于機械結合,所以在熱應力的作用下很容易剝落失效。
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