热障涂层表面处理对其抗CMAS腐蚀性能的影响

作     者：卢博文 

作者单位：中国民航大学 

学位级别：硕士

导师姓名：韩志勇

授予年度：2021年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 082503[工学-航空宇航制造工程] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：CMAS 热障涂层 改性涂层 ANSYS 开裂失效 

摘      要：热障涂层(Thermal barrier coatings,TBCs)具有隔热性能优异、抗高温氧化等特点,已被广泛的应用到航空发动机部件中,用来保护金属基体,提高涡轮发动机进口温度。然而发动机在工作时常常受到玻璃态氧化物(CaO-MgO-AlO-SiO,CMAS)腐蚀的影响。本文在原有大气等离子喷涂(Atmospheric plasma spray,APS)制备的TBCs基础上,利用强流脉冲电子束(High current pulse electric beam,HCPEB)对TBCs进行表面改性,以期提高涂层的抗CMAS腐蚀性能,延长发动机部件的使用寿命。首先,利用烧结研磨方法制备CMAS粉末,并通过分析CMAS粉末的物理性质制备出符合实验要求的CMAS粉末。再将CMAS粉末涂敷在APS技术制备的原始涂层表面进行高温腐蚀实验,从宏观形貌、微观形貌、元素分布及相成分等方面研究原始涂层的CMAS腐蚀机理。结果表明,CMAS腐蚀原始涂层时,一方面与涂层发生热化学反应,形成m-ZrO相,使涂层发生3%-5%的体积膨胀,增加涂层的内应力;另一方面,CMAS填充涂层的微小孔隙,降低涂层的热膨胀系数,使涂层发生热失配,最终导致CMAS腐蚀8h后原始涂层已经完全剥落失效。其次,利用HCPEB对原始涂层进行表面改性,制备出相结构稳定、表面粗糙度低、改性层厚的改性涂层,再对改性涂层进行CMAS腐蚀实验,观察并分析改性涂层的CMAS腐蚀机理。结果表明,改性涂层经CMAS腐蚀,涂层表面依然具有良好的结构稳定性及相稳定性,虽然CMAS侵入改性涂层的速度相比于原始涂层稍有加快,但CMAS与涂层发生反应产生的CaY(SiO)O能够阻碍CMAS向涂层内部的进一步渗透,因此,改性涂层经CMAS腐蚀8h后结构依然完整,涂层并未发生脱落失效,具有较好的抗CMAS腐蚀能力。最后,为了直观地分析CMAS对TBCs中应力场的影响,采用ANSYS有限元方法,建立无宏观缺陷和有宏观缺陷的涂层模型,模拟CMAS腐蚀过程中两种涂层的应力场分布。模拟结果表明,CMAS腐蚀会增加涂层中的内应力,并且腐蚀越深,腐蚀速度越慢。当涂层中出现缺陷时,CMAS会填充缺陷并在缺陷尖端周围形成应力集中,并且随着腐蚀深度和缺陷数目增多,涂层的内应力越大,越容易集中在缺陷周围,使涂层容易产生横向微裂纹,致使涂层分层失效。