Med sikte på fenomenet med termisk barriärbeläggning avskalning av turbinblad i motordrift under testkörning, upptäckte denna studie grundorsaken till att beläggningen peeling under användningen av produkten genom makroskopisk observation, svepelektronmikroskopmorfologianalys och energispektrummikrokomponentanalys, kombinerad med undersökningsresultaten av hela processprocessen, och lägga fram förslag på förbättringar av bearbetningstekniken för efterföljande delar.
Termisk barriärbeläggning med elektronstråle fysisk ångavsättning (EB-PVD) har använts i stor utsträckning i flygmotorblad och har blivit en oumbärlig nyckelteknologi för flygmotorblad. EB-PVD-teknologi är en teknik som använder en elektronstråle med hög energidensitet för att värma upp materialet som ska förångas till en vattenkyld degel i en vakuummiljö, så att den når ett smält förgasningstillstånd och avdunstar till substratet under verkan av ett avböjande magnetfält för att kondensera till en beläggning. Det finns många typer av EB-PVD termiska barriärbeläggningsstrukturer, inklusive dubbelskiktsstruktur, gradientstruktur och flerskiktsstruktur, varav den mest använda är dubbelskikts termisk barriärbeläggning. Den termiska barriärbeläggningen med dubbla skikt består av ett keramiskt toppskikt och ett metallbindningsskikt. Det keramiska skiktet spelar huvudsakligen rollen som värmeisolering, och metallbindningsskiktet spelar huvudsakligen rollen för att lindra den termiska expansionsmissanpassningen mellan matrisen och det keramiska skiktet och förbättra matrisens motstånd mot högtemperaturoxidationskorrosion. I den faktiska arbetsmiljön kommer gränsytan mellan bindningsskiktet och det keramiska skiktet att bilda ett oxidskikt, vars huvudkomponent är -Al2O3, vilket förhindrar vidare diffusion av O-element in i beläggningen. Den största utmaningen för appliceringen av termiska barriärbeläggningar är beläggningens hållbarhet, särskilt beläggningens motståndskraft mot spjälkning, som påverkas av många faktorer, såsom spänningstillståndet i det keramiska skiktet, bindningsskiktets mikrostruktur, tjockleken och spänningstillstånd för TGO-skiktet, och brottmotståndet hos de olika gränssnitten mellan bindningsskiktet och TGO. För närvarande är det känt att oxidationen av bindeskiktet är nyckelfaktorn för att bestämma livslängden för den termiska barriärbeläggningen.
1. Testprocess och resultat
1.1 Makroskopisk observation av beläggningssplittringsmorfologi
9 timmar efter motortestet visade det sig att beläggningen på arbetsbladets yta splittrade och spjälkningsytan översteg standardkraven. Dess makromorfologi visas i figur 1.
1.2 Jämförande analys av beläggning före och efter användning
För att ytterligare analysera orsakerna till att bladbeläggningen skalar, jämfördes servicebladen med de nya bladen i samma parti, och beläggningskomponenterna och mikrostrukturen av bladspetsarna och mellandelarna av varje blad jämfördes och analyserades enligt bladen. positioner som visas i figur 2.
1) Jämförelse av bladmakromorfologi. Servicebladet och det nya bladet jämfördes och observerades, och morfologin visades i figur 3. Beläggningens avskalning av servicebladet är huvudsakligen koncentrerad i inlopps- och utloppskanten på bladet nära bladspetsen.
2) Analys av kemisk sammansättning. Prover togs från spetsen av bladet och mitten av bladets kropp, och metallografiska prover preparerades efter varm mosaik. Enligt detekteringsdelarna som visas i figur 2 analyserades beläggningskomponenterna på varje del av bladet med energispektrum. Resultaten visade att innehållet av huvudelement i bottenskiktet av de skalade bladen i princip var detsamma som i samma sats av avinstallerade löv, men det fanns ingen tydlig skillnad i innehållet av huvudelement i ytskiktet.
3) Beläggningsmorfologianalys. Metallografiska prover observerades genom svepelektronmikroskopi, och resultaten visades i figur 4. Det kan ses från figuren att det undre lagret av bladet där beläggningen skalas av är intakt och en del ytskiktsvävnad finns kvar på botten lager. Beläggningen bryts från roten av ytskiktets kolumnformiga kristall, och det finns cirka 1 μm TGO-skikt mellan ytskiktet och bottenskiktet. Vidare analyserades den fullständiga beläggningsstrukturen vid olika positioner av bladet, och den mikroskopiska morfologin från inloppskanten till utloppskanten observerades i mittsektionen av bladet. Vid inloppskanten av bladets mittsektion har ytskiktets cylindriska kristall spruckit längs roten, vilket indikerar att beläggningen börjar lossna vid bladets spets, och brottet sträcker sig till mitten av bladet . Å andra sidan är ytskiktets kolumnformiga kristallstrukturer på baksidan av bladet och utblåsningskanten samlade, inte i en fjäderlik fördelning, avståndet mellan kolumnformade kristaller är inte uppenbart och roten av den kolumnformade kristallen är lösare än spetsen.
Svepelektronmikroskopi utfördes på olika positioner av avinstallerade blad från samma sats, och resultaten visades i figur 5. Som framgår av figur 5 är beläggningsstrukturen för de nytillverkade bladen densamma som för de skalade bladen . Den övre änden av den kolumnformiga kristallen är tätt fördelad, och ytskiktsstrukturen bildas av staplingsskikt. Det finns ett tydligt TGO-skikt mellan ytskiktet och bottenskiktet, och tjockleken är ca 1μm. Förekomsten av TGO-skikt mellan bindningsskiktet och det keramiska skiktet på bladet indikerar att det under avsättningen av det keramiska skiktet finns en viss mängd O i ugnen, vilket främjar bildandet av TGO-skiktet, och vakuumgraden av ugnen kanske inte uppfyller standardkraven, så att TGO-skiktet först bildas vid förbindelsen mellan bottenskiktet och ytskiktet. Samtidigt finns det ytkeramiska sprickor längs den kolumnformade kristallen också vid bladets spets.
Processen för bladets termiska barriärbeläggning är som följer: förbehandling av bladets yta → multi-bågsjonplätering avsättningsbas → vakuumdiffusion → ultraljudsrengöring → vakuumelektronstråleavsättning ytskikt. Under dess bearbetning avsätts både metallbindningsskiktet och det keramiska skiktet under vakuum, så ett TGO-skikt som är cirka 1 μm tjockt bör inte produceras mellan bindningsskiktet och det keramiska skiktet. Den befintliga beredningsprocessen för termisk barriärbeläggning innehåller inte TGO-skiktet för vävnadsdetektering, så effekten av TGO-skiktet som genereras i beredningsprocessen på prestandan och livslängden för den termiska barriärbeläggningen måste demonstreras i detalj, så det är inte nödvändigt att gå in på detaljer här. Men om vakuumgraden i ugnen inte uppfyller kraven kan strukturen och egenskaperna hos den keramiska ytan påverka livslängden för den termiska barriärbeläggningen, vilket verifieras av experiment i denna studie.
1.3 Mikrohårdhetstest
Hårdheten på den keramiska ytan på de två typerna av blad testades respektive, och resultaten visas i tabell 1. Det kan ses att det inte finns någon signifikant skillnad i hårdhetsvärdet för den keramiska ytan på det belagda skalningsbladet och att av det avinstallerade bladet i samma sats, vilket indikerar att hårdhetsvärdet för bladet i samma sats inte förändras nämnvärt före och efter användning.
1.4 Verifieringstest
Det keramiska skiktet av den termiska barriärbeläggningen utförs under den fysiska elektronstråleavsättningsprocessen. ZrO2 värms upp i en vakuumugn tills den avdunstar från götet och avsätts sedan långsamt på bladets yta. Formen och tjockleken på det keramiska lagrets tillväxt säkerställs genom att kontrollera parametrar som ström, vakuumgrad och avsättningstid i vakuumugnen. Efter processgranskning har det visat sig att det finns uppgifter om att byta ut pistoltråd eller mekanisk pumpolja i vakuumugnen, vilket direkt kommer att påverka vakuumgraden i vakuumugnen och sedan påverka tillväxten av kolumnära kristaller med keramisk beläggning. För att verifiera om vakuumgraden har en effekt på morfologin och egenskaperna hos de cylindriska kristallerna i det keramiska skiktet, utförs deponeringstester av olika keramiska skikt med hjälp av processparametrarna i Tabell 2.
Bladbeläggningen observerades med elektronmikroskop under två betingelser. Resultaten visar att under samma spänning, ström och deponeringstid, när vakuumgraden i ugnen är 5×10−4 Torr, verkar de keramiska kolumnkristallerna fjäderliknande eller veteliknande, och det finns inget TGO-skikt mellan bindningsskiktet och det keramiska skiktet (fig. 6a). När vakuumgraden var 5×10−3 Torr var de kolumnformade kristallerna i den keramiska beläggningen grova och visade inte en fjäderliknande eller spikliknande form. Mikrostrukturen i roten av de kolumnformade kristallerna var relativt lös jämfört med den i änden, och mikrostrukturen liknade den hos de avinstallerade bladen, och det fanns ett TGO-skikt mellan bindningsskiktet och det keramiska skiktet (FIG. 6b). . Samtidigt testades hårdheten hos den keramiska beläggningen under de två vakuumgraderna, och resultaten visade att hårdheten hos det keramiska lagret var högre under vakuumgraden 5×10−4 Torr, medan hårdheten hos det keramiska lagret avsatt under vakuumgraden 5×10−3 Torr var lägre (tabell 3).
2. Slutsats
1) Det defekta bladets keramiska skikt bryts från roten av ytskiktet, och strukturen på roten av den kolumnformiga kristallen är lös, och den mellersta och övre delen av den kolumnära kristallen är grupperade och fördelade i lager. Hårdhetsvärdet är lägre än det för det normala keramiska lagret, och strukturen skiljer sig väsentligt från den för den normala keramiskt belagda kolumnkristallen.
2) Vakuumgrad har en direkt inverkan på tillväxtmorfologin hos keramisk beläggning. När vakuumgraden uppfyller standardkraven växer de kolumnformade kristallerna som fjädrar eller öron. När vakuumgraden är lägre än standardkraven är roten av den kolumnära kristallen lös, den mellersta och övre delen av den kolumnformade kristallen är täta och det finns ett uppenbart TGO-lager mellan bindningsskiktet och det keramiska lagret.
3) Misslyckandet hos det defekta bladets keramiska skikt för att uppfylla användningskraven orsakas av det onormala tillståndet hos den fysiska deponeringsutrustningen, vilket resulterar i att den deponerade keramiska skiktorganisationen inte uppfyller standardkraven.
