热障涂层失效的无损检测与评价研究进展
赵扬;马志远;陈建伟;林莉;马健;赵鹏
【摘 要】芙蓉泣露香兰笑热障涂层作为航空发动机高温部件的关键材料,其质量和性能的无损检测与评价是热障涂层研究领域中急需解决的关键问题.系统回顾了热障涂层无损检测技术与方法的发展历史与研究现状,重点介绍了热障涂层TGO与残余应力的无损检测技术及其未来的发展方向.
【期刊名称】《河北科技大学学报》
【年(卷),期】2013(034)006
【总页数】7页(P494-500)
【关键词】无损检测;热障涂层;TGO;残余应力
【作 者】同步英语赵扬;马志远;陈建伟;林莉;马健;赵鹏
【作者单位】山东省科学院激光研究所,山东济南 250014;大连理工大学无损检测研究所,辽宁
大连116024;山东省科学院激光研究所,山东济南 250014;大连理工大学无损检测研究所,辽宁大连116024;山东省科学院激光研究所,山东济南 250014;山东省科学院激光研究所,山东济南 250014
【正文语种】中 文
【中图分类】O436
航空发动机热端部件服役环境恶劣，为了满足其对材料更苛刻的性能要求，目前先进航空发动机热端部件无一例外地采用热障涂层(thermal barrier coating，简称TBC)以提高高温部件的使用温度，延长部件服役寿命，提高发动机效率。TBC技术已经成为先进航空发动机研制中的一项关键技术[1]。实际应用中的TBC大多采用双层结构，表层是以ZrO2为主的陶瓷层(top ceramic coating，简称TCC)，起隔热作用；陶瓷层与高温合金基体之间为McrAlY黏结层(bond coating，简称BC)，起改善基体与陶瓷涂层物理相容性的作用，见图1。目前TBC在应用过程中，其系统内的TCC与BC之间的界面开裂和TCC的剥落失效是限制TBC长时间使用的瓶颈。更为严重的是服役过程中TBC的过早剥落失效会将合金基体暴露在高温燃气中，这可能引起灾难性的后果。因此，建立对TBC失效检测和物理性能综合
评价及分析的方法是TBC科学研究和推广应用中急需解决的关键问题[2]。
TBC自身具有较复杂的结构且服役的环境极为苛刻，使得研究人员迄今为止仍尚未完全认清其失效的因素(包括高温氧化、应力场、相变及热物理性能不匹配等多种因素均能导致涂层失效)[3]。因此，目前仍难以将各种因素都全面考虑来建立TBC的检测方法或是寿命预测模型，但如果能对这些因素的影响进行测量(如应力集中检测)，对危险破坏形式(如TCC的开裂与剥落)的破坏准则进行表征，甚至对TBC失效的全过程进行实时检测、原位检测，则能为TBC失效机理的理解以及寿命预测的建立提供依据和指导[2，4]。
小瓢虫图1 涡轮叶片表面热障涂层的横截面显微结构Fig.1 Micro structure of TBC cross ction
目前，对引起双层结构TBC失效的主要因素，美国国家航天局(NASA)的研究人员认为有以下几方面。一是在服役过程中BC表面会形成以Al2O3为主的热生长氧化物(thermally growth oxide，简称TGO)。由于TGO的生长、TCC的相变等产生的应力变化和组成结构变化等因素，引起裂纹扩展，造成界面处TCC的剥落[4]。有研究指出，TGO厚度超过极限厚度8～10 μm，TCC就开始脱落[5-6]。二是由于TBC各层材料热不匹配性，服役过程中TBC往复加热冷却过程中涂层中会产生残余应力，且应力分布常常是不均匀的，因而引起TCC
内部局部应力集中，形成热疲劳损伤，进而导致TCC的剥离[4,7]。因此，实现TGO厚度和TCC热疲劳损伤的检测与评价对于安全使用具有重要的实际意义，尤其是无损检测技术，准确表征和评价涂层的各种性能对涂层的发展和应用来说都具有非常重要的意义。
基于无损检测具有的“非破坏性”及易于实现自动化、标准化的优点，越来越多的研究人员在TBC质量的无损检测与评价方面展开研究工作，并取得了一些有价值的研究结果。本文对国内外已经取得的研究成果进行简要回顾，对当前TBC无损检测研究进展进行综述分析，提出本研究团队对TBC无损检测研究未来发展方向的展望。
1 TBC无损检测技术与方法研究
1.1 TCC无损检测研究
从TBC无损检测研究过程来看，TBC早期的质量无损检测与性能表征研究主要集中于TCC的厚度、弹性模量及孔隙率测量，以分析它们对TBC结合质量的影响[8-9]。
CRUTZEN等在利用垂直及斜入射方式结合传递函数法(检测频率为15 MHz)表征等离子喷涂的ZrO2-Y2O3涂层(厚度为210～250 μm)弹性模量的研究中，发现TBC的弹性模量33 G
Pa比致密的ZrO2块体材料的241 GPa低很多，其主要原因是涂层中存在大量的孔隙及微裂纹[10]。LESCRIBAA等在利用超声声压反射系数幅度谱(检测频率为10 MHz)表征等离子喷涂ZrO2-7%Y2O3涂层(厚度为130～350 μm)的研究中发现，2种等离子喷涂ZrO2-7%Y2O3 A和B涂层的声速远低于同材质的致密块体的声速，而衰减系数分别为45 dB/cm和12 dB/cm[11]，远高于ZrO2-Y2O3体材料在10 MHz下的衰减系数(4 dB/cm)[12]，见表1，同时指出这是由于等离子喷涂涂层中的层片状结构、大量的微裂纹和孔隙所导致的。
表1 等离子喷涂涂层与体材料物理参数的对比Tab.1 Comparison of physical parameters of bulk materials and its coating prepared by plasma spray technique材料密度/(kg·m-3)速率/(m·s-1)3 MHz衰减系数/(dB·cm-1)弹性模量/GPaZrO2-Y2O3(bulk material)5 5506 870<4212ZrO2-Y2O3(coating A)5 1302 7504532ZrO2-Y2O3(coating B)5 3804 0001272
图2 等离子喷涂与EBPVD法制备的TBC随机孔隙模型模拟结果与SEM结果Fig.2 Random pore mode and SEM of TBC prepared by plasma spray and EBPVD technique
ROGE等采用涡流检测技术(检测频率为1～6 MHz)测量了等离子喷涂的ZrO2-7% Y2O3的厚度(254～530 μm)，在此基础上利用超声检测技术(检测频率为25 MHz)表征了其内部的
做梦梦到鱼孔隙率[13]。研究人员利用超声频谱分析技术与小波模极大值法(检测频率为10 MHz)对等离子喷涂的ZrO2-7% Y2O3涂层(厚度范围为254～530 μm)以及经强流脉冲离子束表面改性的TBC厚度进行了表征，并结合数值拟合技术获得了涂层的衰减系数[14-15]。ZHAO等研究了等离子喷涂及电子束物理气相沉积(EBPVD)法制备的ZrO2-7% Y2O3涂层厚度、密度和非均匀性的无损检测方法[16-21]。随后引入随机介质模型，建立了适用于描述等离子喷涂及EBPVD法制备的TBC二维模型，见图2[22]，结合有限差分法模拟了超声波在TBC中的传播。研究结果表明，2种制备工艺得到的涂层均呈现一定的非均匀性，这种非均匀性对高频超声波TBC内部传播时的衰减机制影响较大并会产生频散等现象，使得基于理想介质假设的声学模型难以用于TBC的无损检测与表征，为此创建了非均匀涂层的超声检测模型及方法。
图3 用于TGO检测的EIS系统示意图Fig.3 Diagram of EIS ud to inspect TGO
图4 不同失效时间下的TGO厚度与微波相位差之间的关系Fig.4 Relation of TGO thickness and microwave pha difference for the various exposure time
厂前区1.2 TGO与热疲劳损伤无损检测研究
随着对TBC失效因素的进一步认识，近年来TBC质量无损检测与寿命评价逐渐集中于TGO和热疲劳损伤表征研究。目前，国内外对于TGO的无损检测主要使用的是EIS(electrochemical impedance spectroscopy)法(见图3)。OGAWA等利用该方法在实验室中对等离子喷涂制备的TBC在热循环以及静态氧化过程中TGO成分及厚度变化进行了定量分析[23]；BYEON等采用相同的方法对比研究了等离子喷涂及EBPVD法制备的TBC中TGO检测模型及检测结果[24]；研究人员成功地利用该方法实现了TGO厚度和成分的检测[25-26]。
最近，日本东北大学OGAWA小组开始尝试利用100 GHz级微波对1.5～6.8 μm的TGO厚度进行无损表征研究，发现在失效时间低于100 h范围内微波在TBC系统中传播时的相位差与TGO厚度呈现正比变化趋势，超过上述失效时间，则出现反比变化趋势，认为是孔隙多样性的影响，目前该研究团队进一步的研究工作与结果分析仍在进行中[27]。不同失效时间下的TGO厚度与微波相位差之间的关系见图4。
残余应力分布是评定热障涂层质量的一个重要指标，也是表征热疲劳损伤的主要参数。对于TCC残余应力的无损检测研究，主要使用的是激光Raman光谱技术、X射线衍射技术以
手工制作花朵及Cr3+压电光谱技术[28]。其中，激光Raman光谱技术由于具有非接触、空间分辨率高、光谱范围大且频移不受激光光源频率限制、随聚焦变化可对微量试样进行不同深度的测试等优点而成为近年来TCC残余应力表征的研究热点。当物体存在应力时，某些对应力敏感的谱带会产生移动和变形，其中拉曼峰频率偏移的改变与所受应力成正比(见图5)。哈佛大学的ANDI等以及东京大学的TANAKA等均采用Raman光谱技术测量了等离子喷涂TBC中不同热疲劳程度下的残余应力[29-30]。
图5 激光Ramam光谱检测系统示意图Fig.5 Diagram of lar Ramam spectroscopy
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图6 声发射信号时间-空间分布情况Fig.6 Time-position of acoustic emission signal caud
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湘潭大学的研究人员利用声发射技术对TCC的裂纹检测进行了研究，发现声发射信号的振幅、事件数等基本参数能够对TCC表面及内部裂纹的形成、演化进行定性分析与表征(见图6)[31]。此外，意大利国家研究委员会的MARINETTI利用红外热成像技术对TCC厚度和黏结质量进行了检测研究[32]。
2 TBC无损检测研究的方向
目前，检测及预测TBC失效的位置及时间仍是航天航空制造领域和国防领域中的瓶颈问题。国际上在TBC的无损检测方面给予了高度的重视：一方面对已经成熟的TBC无损检测技术实用化，形成无损检测设备；另一方面继续加大对TBC无损检测新技术、新方法研发的投入。
