EB-PVD热障涂层微观损伤行为

姜 涛，刘德林，刘 洲，牟仁德，何利民

(1.中国航发北京航空材料研究院，北京100095；2.航空工业失效分析中心，北京100095；3.航空材料检测与评价北京市重点实验室，北京100095；4.材料检测与评价航空科技重点实验室，北京100095)

0 引言

为了满足航空发动机涡轮叶片等热端部件材料更加苛刻的服役环境要求，热障涂层(TBCs)技术得到了广泛重视，涂层失效及寿命是热障涂层研究和能否实现工程应用首先需要关注的问题[1-2]。热障涂层的失效涉及多因素耦合作用，其失效行为和机理异常复杂。例如陶瓷涂层与基体之间热膨胀系数差异产生的热应力、粘结层氧化导致TGO层增厚产生的应力、YSZ相变应力、YSZ陶瓷层的烧结收缩应力以及熔盐沉积带来的热腐蚀破坏等等。在实际应用环境中，发动机工作叶片表面的热障涂层还要承受弯曲、振动甚至撞击等机械应力作用，因此涂层的工作环境不仅仅是高温氧化腐蚀，而且有机械载荷[3-4]。

本研究通过对EB-PVD制备的TBCs涂层在室温拉伸、高温拉伸、高温旋弯疲劳、中高温持久、撞击、压缩、弯曲、冲蚀、振动、热循环和超温等典型环境下的失效形态及涂层破坏过程的宏微观观察，分别研究各环境下涂层失效的行为和机制，对TBCs涂层典型的微观损伤形式进行分类总结，研究结果有助于开展热障涂层在复杂环境下失效行为的深入研究。

1 试验材料与试验方法

试验所用基体材料为DZ125定向凝固高温合金，根据不同试验需要分别制备长条板型试样、圆柱形试样。采用阴极电弧镀的方法在DZ125基体上沉积NiCrAlY抗氧化粘结涂层，真空热处理，用电子束物理气相沉积方法在表面沉积Y2O3部分稳定的ZrO2陶瓷层(YSZ)。

分别进行室温拉伸、高温拉伸、高温悬弯疲劳、中高温持久、撞击、压缩、弯曲、冲蚀、振动、热循环和超温试验。对试验后试样进行纵向剖切，镶嵌后磨抛制备金相试样，在CS 3100扫描电子显微镜下观察剖面上热障涂层的损伤情况。

2 热障涂层典型的微观损伤

1)陶瓷层晶簇间垂直裂纹。沿着陶瓷层柱状晶间出现扩展的微裂纹，主要沿着柱状晶簇间分布，有时也呈交叉网状，向内一般不进入粘结层，只有在大的拉伸、持久、弯曲载荷时才进入粘结层和基体(图1)。YSZ陶瓷成簇生长，晶簇间存在界面，其在烧结收缩应力作用下以及与基体变形不协调时将产生此类微裂纹。

图1 陶瓷层晶簇间垂直裂纹特征Fig.1 Vertical cracks between columnar grain packets within the ceramic layer

2)陶瓷层水平台阶裂纹。陶瓷层内出现的大致垂直柱状晶生长方向的微裂纹，裂纹可以出现在柱状晶的任何部位，穿越晶簇时出现台阶(图2)。陶瓷晶簇间相互挤压产生的结构应力、陶瓷涂层与基体之间热膨胀系数差产生的热应力、粘结层氧化导致TGO层增厚产生的应力等，在陶瓷层内部产生的无论是拉应力还是剪切力，均可导致此类裂纹产生。

3)陶瓷层V形崩裂。陶瓷柱状晶受力变形相互挤压形成的V型断裂区(图3)。陶瓷层随基体材料变形，相邻晶簇相向运动挤压，内部应力逐渐增大导致柱状晶成排斜向断裂。

图2 陶瓷层(YSZ)水平台阶裂纹特征Fig.2 Step-like horizontal cracks within the ceramic layer

图3 陶瓷层V形崩裂特征Fig.3 V-type collapsing of ceramic layer

4)柱状晶弯折。同向生长的柱状晶簇在外力作用下发生弯折、断裂，形成的扭曲柱状晶簇(图4)。陶瓷晶体结构复杂，室温下没有塑性，陶瓷柱状晶在压缩应力作用下，缺乏可移动位错，晶体在一定应力下瞬时断裂，与原始方向形成一定角度弯折。

图4 柱状晶弯折损伤特征Fig.4 Distortion of the columnar grains

5)柱状晶簇崩落。柱状晶内因粘结层平整度差导致的发射状晶簇在应力作用下发生的崩落，在涂层表面形成锥形凹坑(图5)。受制备过程影响，柱状晶从一微区放射状生长，形成的扇形晶簇与周围晶簇平直界面之间相互挤压产生指向涂层外的拉应力，热循环过程中又同方向叠加了热应力，同时伴随TGO氧化层间结合力下降，最终将导致该扇形晶簇从TGO 界面断裂脱落。

6)等轴晶区水平裂纹。陶瓷层与粘结层间存在陶瓷层的混乱区——等轴晶区，其内部因内应力而产生的水平方向的微裂纹，裂纹可能穿越柱状晶、TGO，也可能沿裂纹形成陶瓷层剥离(图6)。此种裂纹可能出现在涂层制备和服役过程中，与陶瓷层烧结应力和相变应力产生的综合应力超出等轴晶区断裂强度有关。

7)陶瓷层水平撕裂。涂层受到非均匀压应力作用，局部应力超过陶瓷层剪切强度而出现的水平撕裂，裂纹张开较大(图7)。

图5 柱状晶簇崩落损伤特征Fig.5 Spalling of the columnar grain packets

图6 等轴晶区水平裂纹形貌Fig.6 Horizontal cracks in the equiaxial grain zone

图7 陶瓷层水平撕裂特征Fig.7 Tearing morphology of the ceramic layer

陶瓷层柱状晶受到压应力作用，由于其生长角度必然与应力轴存在偏斜角，应力向下传递到陶瓷层等轴晶区形成水平剪切力，导致水平裂纹的产生。

8)陶瓷层微鼓分离。高温下涂层发生内氧化，在陶瓷层下形成合金元素的复杂氧化物，体积膨胀顶起陶瓷层，形成表面微观鼓起，并产生涂层裂纹，甚至局部涂层分离剥离(图8)。粘结层局部异常氧化是此类损伤的主要特征和必要条件，局部异常氧化可能与陶瓷晶簇间界面间隙较大、TGO层局部破坏有关。

图8 陶瓷层微鼓分离特征Fig.8 Microsmelling induced decohesion of the ceramic layer

9)氧化层破碎。涂层经长时间高温氧化，形成TGO、粘结层内氧化区等氧化层，氧化层在应力作用下出现裂纹，裂纹交错导致氧化层破碎(图9)。氧化层内部应力复杂，即包括氧化物生长膨胀形成的内应力，也包括陶瓷层与金属粘结层变形不协调产生的剪切力，还包括粘结层氧化起伏产生的结构应力等，因此其裂纹形态复杂，最终导致氧化层碎片化。

图9 氧化层破碎特征Fig.9 Fragmentation of the oxidation layer

10)粘结层内氧化。涂层在高温氧化环境下，粘结层中金属元素Al、Ni、Cr被氧化成复杂的氧化物，粘结层后期受到TGO的阻挡，O优先沿着TGO中裂纹缺陷进入粘结层，导致其局部发生氧化，出现深浅不一的内氧化区(图10)。内氧化会引起体积变化对涂层抗剥落性能不利，但对向基体方向延伸的应力裂纹则有迟滞作用。

图10 粘结层内氧化特征Fig.10 Internal oxidation of the cohesive layer

11)粘结层垂直裂纹。粘结层在循环应力、拉应力等作用下，由于其自身疲劳强度较低，室温弹塑性较差会产生垂直应力轴的微裂纹，裂纹主要分布在粘结层内，可能向基体和陶瓷层延伸(图11)。此种裂纹多产生于室温和低温环境，随着温度升高，粘结层塑性逐渐改善，静应力下将不再优先产生此类裂纹，但循环载荷下疲劳裂纹仍可能从此位置萌生。

图11 粘结层垂直裂纹特征Fig.11 Vertical cracks in the cohesive layer

12)粘结层裂纹钝化。高温环境下，O元素沿着粘结层垂直裂纹向基体内部扩散，在裂纹尖端形成氧化区，裂纹尖端的应力得以松弛，裂纹扩展减慢或者接近停滞(图12)。裂纹在粘结层中扩展时由于粘结层氧化速率较慢，这种钝化作用尚不明显，当裂纹到达高温合金基体时氧化速率快速增加，裂纹尖端产生明显钝化现象。

13)粘结层皱曲。涂层在高温氧化环境下，粘结层表面受到氧化作用形成复杂氧化物，氧化物比容增大，体积膨胀，表面积增加超过圆柱体表面积，导致粘结层表面与TGO层出现微小褶皱，截面上表现为起伏的皱曲(图13)。这种皱曲一方面可以协调TGO生长膨胀产生的内应力，对保持TGO完整有利，但另一方面微观皱曲产生大量应力集中点，容易产生层间裂纹而导致涂层剥落。

图12 粘结层裂纹钝化特征Fig.12 Crack inactivation in the cohesive layer

图13 粘结层皱曲特征Fig.13 Cohesive layer waviness

3 结束语

EB-PVD方法制备的热障涂层，由于陶瓷层(YSZ)、粘结层(NiCrAlY)和热成长氧化物(TGO)三层因物相结构的差异其物理特性差异很大，并且在环境作用下还会发生物相结构的复杂变化[5-8]。因此，在各种载荷、温度等典型环境下往往表现出不同的损伤行为和损伤形式；而三层结构的相互影响和约束又使得热障涂层整体损伤特点异常复杂。只有对涂层在典型应力、温度等环境下的基本损伤行为有所了解，建立最基本的损伤形式类型，才能开展更为复杂的多层结构损伤行为研究。

本研究提出的13种涂层损伤基本形式虽然只是热障涂层众多损伤形式的一部分，但也有利于加深对热障涂层损伤行为和影响机制的认识，化繁为简，对于进一步深入开展热障涂层损伤机制研究具有借鉴意义。