带热障涂层单晶合金叶片模拟热冲击服役环境试验研究

郭会明，刘志远，田 伟，白云瑞，钟 燕

(1.中国航发四川燃气涡轮研究院，成都 610500；2.湘潭大学，湖南湘潭 411105)

1 引言

热障涂层(TBC)是将耐高温、低导热、抗腐蚀的陶瓷材料以涂层的形式与基体合金相复合，以降低合金热端部件表面温度、提高基体合金抗高温氧化腐蚀性能的一种防护技术[1]。航空发动机中，热障涂层主要应用于高压涡轮导向叶片、涡轮工作叶片和燃烧室浮动壁瓦片等热端部件[2]。热障涂层的研究源于20世纪40年代末期，60年代美国航空航天局首先将热障涂层成功应用于火箭飞机的喷火管，70年代开始用于美国J75航空发动机的涡轮叶片[3-4]。自此，热障涂层技术成为航空发动机发展必不可少的一项关键技术。

热障涂层常常工作在高温氧化、腐蚀和热冲击等十分恶劣的条件下，在使用过程中常有开裂和剥落失效发生[5-7]，成为其长期可靠应用所面临的最迫切需要解决的问题。陈孟成等[8]采用高温炉进行热障涂层热冲击试验研究，结果表明陶瓷层与粘结层界面处Al、Cr、Ni 氧化物的形成过程中会产生体积膨胀，导致热应力增加，引起陶瓷层产生微裂纹。同时，由于冷热温度变化使得ZrO2发生晶体转变，具有明显的体积效应，而这种体积效应在冷热循环条件下引起涂层开裂。张永等[9]采用燃气加热进行热障涂层热冲击试验研究，结果表明陶瓷层在经过燃气冲击后受到循环热应力影响，柱状晶间隙变大，导致涂层剥落。Chen 等[10]对热障涂层热冲击过程进行的数值计算表明，热冲击过程中陶瓷层与粘结层界面处的应力大且释放速率快，裂纹更容易在界面处萌生并扩展。……