Med sikte på fenomenet avskalling av termisk barrierebelegg av turbinblader i motordrift under testkjøring, fant denne studien ut årsaken til beleggavskalling under bruk av produktet gjennom makroskopisk observasjon, skanneelektronmikroskopmorfologianalyse og energispektermikrokomponentanalyse, kombinert med undersøkelsesresultatene av hele prosessprosessen, og fremme forslag til forbedring av prosesseringsteknologien til påfølgende deler.
Elektronstrålefysisk dampavsetning (EB-PVD) termisk barrierebelegg har blitt mye brukt i flymotorblader, og har blitt en uunnværlig nøkkelteknologi for flymotorblader. EB-PVD-teknologi er en teknologi som bruker en elektronstråle med høy energitetthet for å varme opp materialet som skal fordampes til en vannkjølt digel i et vakuummiljø, slik at det når en smeltet gassifiseringstilstand og fordamper til substratet under påvirkningen. av et avbøyende magnetfelt for å kondensere til et belegg. Det finnes mange typer EB-PVD termiske barrierebeleggstrukturer, inkludert dobbeltlagsstruktur, gradientstruktur og flerlagsstruktur, hvorav den mest brukte er dobbeltlags termisk barrierebelegg. Det dobbeltlags termiske barrierebelegget er sammensatt av et keramisk topplag og et metallbindingslag. Det keramiske laget spiller hovedsakelig rollen som varmeisolasjon, og metallbindingslaget spiller hovedsakelig rollen som å lindre den termiske ekspansjonsmisforholdet mellom matrisen og det keramiske laget, og forbedre motstanden til matrisen mot høytemperaturoksidasjonskorrosjon. I det faktiske arbeidsmiljøet vil grensesnittet mellom bindelaget og det keramiske laget danne et oksidlag, hvor hovedkomponenten er -Al2O3, og dermed hemme den videre diffusjonen av O-elementer inn i belegget. Hovedutfordringen for påføring av termiske barrierebelegg er holdbarheten til belegget, spesielt beleggets motstand mot avskalling, som påvirkes av mange faktorer, som spenningstilstanden i det keramiske laget, mikrostrukturen til bindelaget, tykkelsen og spenningstilstanden til TGO-laget, og bruddmotstanden til de forskjellige grensesnittene mellom bindingslaget og TGO. For tiden er det anerkjent at oksidasjonen av bindingslaget er nøkkelfaktoren for å bestemme levetiden til det termiske barrierebelegget.
1. Testprosess og resultater
1.1 Makroskopisk observasjon av beleggsplittingsmorfologi
9 timer etter motortesten ble det funnet at belegget på overflaten av arbeidsbladet sprutet, og avskallingsområdet oversteg standardkravene. Makromorfologien er vist i figur 1.
1.2 Sammenlignende analyse av belegg før og etter bruk
For ytterligere å analysere årsakene til avskalling av bladbelegg, ble servicebladene sammenlignet med de nye bladene i samme parti, og beleggskomponentene og mikrostrukturen til bladspissene og midtdelen av hvert blad ble sammenlignet og analysert i henhold til bladene posisjoner vist i figur 2.
1) Sammenligning av bladmakromorfologi. Servicebladet og det nye bladet ble sammenlignet og observert, og morfologien ble vist i figur 3. Beleggets avskalling av servicebladet er hovedsakelig konsentrert i innløpskanten og eksoskanten til bladet nær bladspissen.
2) Kjemisk sammensetningsanalyse. Prøver ble tatt fra tuppen av bladet og midten av bladets kropp, og metallografiske prøver ble utarbeidet etter varm mosaikk. I henhold til deteksjonsdelene vist i figur 2, ble beleggskomponentene på hver del av bladet analysert ved hjelp av energispektrum. Resultatene viste at innholdet av hovedelement i bunnlaget av de skrellede bladene i utgangspunktet var det samme som i samme parti av uinstallerte blader, men det var ingen åpenbar forskjell i innholdet av hovedelement i overflatelaget.
3) Beleggmorfologianalyse. Metallografiske prøver ble observert ved hjelp av skanningselektronmikroskopi, og resultatene ble vist i figur 4. Det kan ses av figuren at det nederste laget av bladet der belegget er skrellet av er intakt, og noe overflatelagsvev forblir på bunnen lag. Belegget brytes fra roten av overflatelaget søylekrystall, og det er ca. 1 μm TGO-lag mellom overflatelaget og bunnlaget. Videre ble den komplette beleggstrukturen ved forskjellige posisjoner av bladet analysert, og den mikroskopiske morfologien fra innløpskanten til eksoskanten ble observert i den midtre delen av bladet. Ved innløpskanten av den midtre delen av bladet har den sylindriske krystallen til overflatelaget sprukket langs roten, noe som indikerer at belegget begynner å flasse av på tuppen av bladet, og bruddet strekker seg til midten av bladet . På den annen side er overflatelaget søyleformede krystallstrukturer på baksiden av bladet og eksoskanten klynget sammen, ikke i en fjæraktig fordeling, avstanden mellom søylekrystallene er ikke åpenbar, og roten til søylekrystallen er løsere enn spissen.
Skanneelektronmikroskopi ble utført på forskjellige posisjoner av uinstallerte blader fra samme parti, og resultatene ble vist i figur 5. Som det kan sees av figur 5, er beleggstrukturen til de nylagde bladene den samme som for de skrellede bladene . Den øvre enden av den søyleformede krystallen er tett fordelt, og overflatelagstrukturen er dannet ved å stable lag. Det er et tydelig TGO-lag mellom overflatelaget og bunnlaget, og tykkelsen er ca. 1μm. Eksistensen av TGO-lag mellom bindelaget og det keramiske laget på bladet indikerer at under avsetningen av det keramiske laget er det en viss mengde O i ovnen, noe som fremmer dannelsen av TGO-laget, og vakuumgraden av Det kan hende at ovnen ikke oppfyller standardkravene, slik at TGO-laget først dannes i krysset mellom bunnlaget og overflatelaget. Samtidig eksisterer den keramiske overflatesprekken langs søylekrystallen også på tuppen av bladet.
Prosessen med bladets termiske barrierebelegg er som følger: bladoverflateforbehandling → multi-arc ion plating avsetningsbase → vakuumdiffusjon → ultralydrensing → vakuum elektronstråleavsetning overflatelag. Under behandlingen blir både metallbindingslaget og det keramiske laget avsatt under vakuum, så et TGO-lag på omtrent 1 μm tykt bør ikke produseres mellom bindelaget og det keramiske laget. Den eksisterende forberedelsesprosessen for termisk barrierebelegg inneholder ikke TGO-laget for vevsdeteksjon, så virkningen av TGO-laget generert i klargjøringsprosessen på ytelsen og levetiden til det termiske barrierebelegget må demonstreres i detalj, så det er ikke nødvendig å gå i detaljer her. Men hvis vakuumgraden i ovnen ikke oppfyller kravene, kan strukturen og egenskapene til den keramiske overflaten påvirke levetiden til det termiske barrierebelegget, noe som er verifisert av eksperimenter i denne studien.
1.3 Mikrohardhetstest
Hardheten til den keramiske overflaten til de to bladtypene ble testet henholdsvis, og resultatene er vist i tabell 1. Det kan ses at det ikke er noen signifikant forskjell i hardhetsverdien til den keramiske overflaten til det belagte peelingbladet og at av det avinstallerte bladet i samme parti, noe som indikerer at hardhetsverdien til bladet i samme parti ikke endres vesentlig før og etter bruk.
1.4 Verifikasjonstest
Det keramiske laget av det termiske barrierebelegget utføres under den fysiske elektronstråleavsetningsprosessen. ZrO2 varmes opp i en vakuumovn til den fordamper fra barren, og avsettes deretter sakte på overflaten av bladet. Formen og tykkelsen på det keramiske lagveksten sikres ved å kontrollere parametere som strøm, vakuumgrad og avsetningstid i vakuumovnen. Etter prosessgjennomgang er det funnet at det er registreringer av utskifting av pistoltråd eller mekanisk pumpeolje i vakuumovn, noe som direkte vil påvirke vakuumgraden til vakuumovn, og deretter påvirke veksten av søylekrystaller med keramisk belegg. For å verifisere om vakuumgraden har en effekt på morfologien og egenskapene til de sylindriske krystallene i det keramiske laget, utføres avsetningstestene av forskjellige keramiske lag ved å bruke prosessparametrene i tabell 2.
Bladbelegget ble observert med elektronmikroskop under to forhold. Resultatene viser at under samme spenning, strøm og avsetningstid, når vakuumgraden i ovnen er 5×10−4 Torr, virker de keramiske søylekrystallene fjæraktige eller hveteaktige, og det er ikke noe TGO-lag mellom bindingslaget og det keramiske laget (fig. 6a). Når vakuumgraden var 5×10−3 Torr, var de søyleformede krystallene til det keramiske belegget grove og viste ikke en fjærlignende eller pigglignende form. Mikrostrukturen til roten til de søyleformede krystallene var relativt løs sammenlignet med den til enden, og mikrostrukturen var lik den til de avinstallerte bladene, og det var et TGO-lag mellom bindelaget og det keramiske laget (FIG. 6b). . Samtidig ble hardheten til det keramiske belegget under de to vakuumgradene testet, og resultatene viste at hardheten til det keramiske laget var høyere under 5×10−4 Torr vakuumgraden, mens hardheten til det keramiske laget. avsatt under 5×10−3 Torr-vakuumgraden var lavere (tabell 3).
2. Konklusjon
1) Det keramiske laget til det defekte bladet brytes fra roten av overflatelaget, og strukturen til roten til søylekrystallen er løs, og den midtre og øvre delen av søylekrystallen er gruppert og fordelt i lag. Hardhetsverdien er lavere enn for det normale keramiske laget, og strukturen er vesentlig forskjellig fra den vanlige keramisk belagte søylekrystallen.
2) Vakuumgrad har en direkte innflytelse på vekstmorfologien til keramisk belegg. Når vakuumgraden oppfyller standardkravene, vokser de søyleformede krystallene som fjær eller ører. Når vakuumgraden er lavere enn standardkravene, er roten til søylekrystallen løs, midtre og øvre del av søylekrystallen er tette, og det er et åpenbart TGO-lag mellom bindelaget og det keramiske laget.
3) Feilen i det keramiske laget av det defekte bladet i å oppfylle brukskravene er forårsaket av den unormale tilstanden til det fysiske avsetningsutstyret, noe som resulterer i at organiseringen av avsatt keramisk lag ikke oppfyller standardkravene.
