馬德隆 萬(wàn)德田 邱巖 杜大艷

1 前言

提升渦輪進(jìn)口溫度是提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)推重比的重要途徑。國(guó)內(nèi)外研究表明，在維持其他條件不變的前提下，渦輪進(jìn)口溫度每升高50℃，可提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)推力7%～8%。隨著技術(shù)不斷發(fā)展，當(dāng)前最先進(jìn)的渦扇航空發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪進(jìn)口溫度已經(jīng)超過(guò)1 900K，該溫度遠(yuǎn)超常用高溫合金材料的熔點(diǎn)。因此，如何提升航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件的耐高溫性能成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的焦點(diǎn)問(wèn)題之一。從20世紀(jì)50年代至今，國(guó)內(nèi)外眾多科研工作者針對(duì)這一問(wèn)題開(kāi)展了大量研究，最終形成了提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片耐久性與可靠性的3大技術(shù)：高溫合金等耐高溫結(jié)構(gòu)材料技術(shù)、高效氣冷技術(shù)以及熱障涂層技術(shù)。

熱障涂層（Thermal Barrier Coatings，TBCs）是利用陶瓷材料低熱導(dǎo)、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)越性能，將其以噴涂、沉積等多種方式附著于基體表面，從而提高基體材料的服役性能。發(fā)展熱障涂層技術(shù)，對(duì)縮小我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)與世界先進(jìn)水平間的技術(shù)差距、實(shí)現(xiàn)跨代發(fā)展具有舉足輕重的戰(zhàn)略意義，同時(shí)對(duì)能源、航空、航天等領(lǐng)域也都有重大促進(jìn)作用。

2 熱障涂層性能檢測(cè)技術(shù)研究意義

對(duì)于熱障涂層而言，涂層表面以及與基體界面性能的好壞直接決定構(gòu)件整體性能的優(yōu)劣，準(zhǔn)確地涂層性能評(píng)價(jià)對(duì)于涂層構(gòu)件服役安全可靠性具有重要的意義。國(guó)內(nèi)外曾多次報(bào)道，因航空發(fā)動(dòng)機(jī)破壞而導(dǎo)致飛行器故障甚至墜毀的事故。據(jù)相關(guān)機(jī)構(gòu)報(bào)道，在我國(guó)發(fā)生的航空發(fā)動(dòng)機(jī)事故中，80%以上都與發(fā)動(dòng)機(jī)葉片失效緊密相關(guān)，而熱障涂層的表面與界面失效破壞正是航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的主要破壞模式之一。因此，準(zhǔn)確評(píng)價(jià)熱障涂層表面與界面性能對(duì)于保障航空發(fā)動(dòng)機(jī)的服役安全可靠性具有十分重要的意義。

我國(guó)重視熱障涂層的研究和發(fā)展，近幾十年來(lái)在涂層制備工藝設(shè)計(jì)研究方面取得了顯著的成果，中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)金屬研究所、北京航空航天大學(xué)、武漢理工大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等國(guó)內(nèi)重點(diǎn)高校和科研院所等均在各代熱障涂層工藝設(shè)計(jì)方面取得了突破，逐漸縮短了與國(guó)外的差距。然而，無(wú)論國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，熱障涂層性能測(cè)試技術(shù)的發(fā)展都遠(yuǎn)落后于涂層制備技術(shù)的發(fā)展。直到21世紀(jì)初，熱障涂層的大部分的性能測(cè)試仍無(wú)標(biāo)準(zhǔn)方法可依。造成熱障涂層性能一直以來(lái)難以檢測(cè)的原因主要為：①涂層通常難以從基體上有效剝離進(jìn)行測(cè)試；②即使剝離下來(lái)，其厚度也無(wú)法加工為標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行各種物理性能測(cè)試。為解決熱障涂層等陶瓷涂層的性能測(cè)試的國(guó)際性難題，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織組建了陶瓷涂層工作組，面向全世界的高校、科研院所等機(jī)構(gòu)征求涂層性能測(cè)試方法。

3 國(guó)內(nèi)外常規(guī)熱障涂層性能檢測(cè)技術(shù)

目前，國(guó)內(nèi)外常規(guī)的熱障涂層性能測(cè)試評(píng)價(jià)方式主要包括：

3.1 將涂層從基體上剝離，單獨(dú)進(jìn)行測(cè)試

由于熱障涂層與合金基體構(gòu)成的復(fù)合體材料無(wú)法直接測(cè)試，部分國(guó)內(nèi)外研究者通過(guò)將涂層噴涂厚度增加，噴涂在石墨基體或其他易進(jìn)行分離的基體上的形式，將涂層材料分離為獨(dú)立的塊體材料進(jìn)行測(cè)試。

北京礦冶科技集團(tuán)有限公司的高麗華等利用PS—PVD的方式在石墨基體上制備8YSZ熱障涂層，采用機(jī)械加工設(shè)備將石墨基體磨去，測(cè)試分離后獨(dú)立涂層的熱擴(kuò)散系數(shù)；意大利羅馬卡薩西亞研究中心的Girolamo等采用機(jī)械加工的方式將鋯酸鑭（La2Zr2O7）涂層與基體進(jìn)行分離，并采用四點(diǎn)彎曲法測(cè)試了從1 100～1 500℃的涂層彈性模量；羅馬大學(xué)的Pulci等將硼化鋯（ZrB2）-碳化硅（SiC）—硅化鉬（MoSi2）涂層沉積在石墨基體上，采用電火花侵蝕的方式將基體剝離后，測(cè)試了500℃、1 000℃、1 500℃條件下涂層的彈性模量。

然而，無(wú)論何種剝離涂層的手段都會(huì)對(duì)涂層本身造成一定的損傷，同時(shí)這種方式忽略了基體對(duì)涂層性能的影響，使得測(cè)得的涂層性能與真實(shí)性能之間存在較大的誤差。

3.2 采用局部性能來(lái)表征涂層整體性能

由于很難實(shí)現(xiàn)對(duì)涂層整體宏觀性能的直接測(cè)試，部分研究利用材料表面性能測(cè)試技術(shù)，例如納米壓痕法等，通過(guò)分析涂層表面的局部性能來(lái)表征涂層的整體性能。

印度K.S.Rangasamy技術(shù)學(xué)院的Rajendran等人采用納米壓痕測(cè)試技術(shù)，對(duì)800～1000℃條件下三氧化二鋁（Al2O3）二氧化鋯（ZrO2）/二氧化硅（SiO2）涂層的彈性模量進(jìn)行測(cè)試；湘潭大學(xué)的毛衛(wèi)國(guó)等人運(yùn)用納米壓痕法對(duì)熱障涂層的彈性模量和硬度隨溫度變化的演變規(guī)律進(jìn)行了研究；北京航空航天大學(xué)的齊紅宇等應(yīng)用云紋干涉法與鉆孔法結(jié)合的光測(cè)力學(xué)實(shí)驗(yàn)方法，研究了等離子熱障涂層基體材料鎳基高溫合金的殘余應(yīng)力。

采用這種方式測(cè)得的局部性能可以一定程度上表征均質(zhì)涂層的整體性能，但對(duì)于典型非均質(zhì)的熱障涂層，由于缺陷分布密集，各個(gè)局部的性能偏差很大，無(wú)法適用。

3.3 利用超聲波、X射線衍射等微觀測(cè)試方法測(cè)試涂層性能

通過(guò)超聲波、X射線衍射等微觀測(cè)試方法，觀察涂層材料微觀結(jié)構(gòu)的變化來(lái)表征涂層的相關(guān)性能。

大連理工大學(xué)的顧曉春等人利用超聲波法測(cè)試3種不同工藝制備的7YSZ涂層的聲壓反射系數(shù)，進(jìn)而計(jì)算出涂層的彈性模量；美國(guó)西北大學(xué)Jordan等采用X射線衍射法測(cè)量了ZrO2-8%Y2O3熱障涂層中的應(yīng)力分布；北京航空制造工程研究所的鄒世坤等采用X射線衍射技術(shù)測(cè)試了激光沖擊處理和激光熱處理后的ZrO2涂層殘余應(yīng)力分布。

與局部性能測(cè)試技術(shù)類(lèi)似，采用微觀測(cè)試技術(shù)僅能評(píng)價(jià)材料表面微區(qū)的性能，并不能揭示涂層整體的性能，不同位置測(cè)試材料性能離散性分部大。

3.4 利用復(fù)合體性能變化來(lái)反映涂層的性能

通過(guò)對(duì)涂層/基體復(fù)合體的性能進(jìn)行測(cè)試，建立復(fù)合體性能隨涂層工藝變化的規(guī)律，以此反映涂層性能的優(yōu)劣。

國(guó)防科技大學(xué)的Luo等在1 300℃條件下對(duì)3Al2O3·2二氧化硅（SiO2）+硅酸鉺（Er2SiO5）+氧化鉺（Er2O3）涂層/（碳化硅纖維增強(qiáng)碳化硅）SiC—SiC基體進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，測(cè)得復(fù)合體的應(yīng)力—應(yīng)變曲線，來(lái)評(píng)價(jià)涂層高溫彈性模量的變化規(guī)律；英國(guó)劍橋大學(xué)的Tsui等通過(guò)測(cè)試復(fù)合體的曲率來(lái)監(jiān)測(cè)涂層噴涂過(guò)程中涂層內(nèi)部殘余應(yīng)力的變化規(guī)律。這種方式通過(guò)測(cè)試涂層/基體復(fù)合體的整體力學(xué)性能一定程度上可以反映涂層對(duì)基體性能的影響，但并未實(shí)現(xiàn)單一涂層的力學(xué)性能的表征。

4 3步法測(cè)試技術(shù)及國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用

針對(duì)上述熱障涂層性能測(cè)試評(píng)價(jià)方法存在的不足之處，中國(guó)建材檢驗(yàn)認(rèn)證集團(tuán)股份有限公司（簡(jiǎn)稱(chēng)“國(guó)檢集團(tuán)”）首席科學(xué)家包亦望教授經(jīng)過(guò)多年潛心研究，在國(guó)際上率先提出“三步法”評(píng)價(jià)技術(shù)。三步法測(cè)試技術(shù)是脫胎于包教授提出的相對(duì)法理論。相對(duì)法是一種間接的測(cè)試方法，其核心是建立材料已知易得的可測(cè)參數(shù)與未知難得的難測(cè)參數(shù)間的解析關(guān)系，從而可通過(guò)可測(cè)參數(shù)來(lái)推導(dǎo)難測(cè)參數(shù)。該方法尤其適用于一些無(wú)法采用常規(guī)測(cè)試技術(shù)直接測(cè)量的材料性能參數(shù)。

對(duì)于陶瓷涂層的物理性能測(cè)試，涂層性能因無(wú)法直接測(cè)試，屬于難測(cè)參數(shù)；而單質(zhì)基體或含有涂層的復(fù)合體試樣，均可以利用傳統(tǒng)塊體樣品測(cè)得其物理性能，屬于可測(cè)參數(shù)。因此通過(guò)建立涂層與基體和復(fù)合體三者間物理性能參數(shù)的解析關(guān)系，即可通過(guò)測(cè)試基體與復(fù)合體性能，計(jì)算出涂層的性能。該方法測(cè)試步驟可簡(jiǎn)化為第1步，測(cè)試基體性能；第2步，測(cè)試復(fù)合體性能；第3步，計(jì)算涂層性能。因此這種方法被叫做“三步法”。

采用這一研究思路，結(jié)合三點(diǎn)彎曲法實(shí)現(xiàn)了涂層常溫彈性模量與強(qiáng)度的測(cè)試；結(jié)合脈沖激勵(lì)法實(shí)現(xiàn)了涂層高溫彈性模量的測(cè)試；結(jié)合相對(duì)缺口環(huán)法實(shí)現(xiàn)了涂層超高溫彈性模量的測(cè)試；結(jié)合頂桿法實(shí)現(xiàn)了涂層熱膨脹系數(shù)的測(cè)試；結(jié)合阿基米德排水法實(shí)現(xiàn)了涂層密度的測(cè)試；結(jié)合一維穩(wěn)定傳熱模型實(shí)現(xiàn)了涂層導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)試；結(jié)合十字交叉法實(shí)現(xiàn)了涂層界面結(jié)合強(qiáng)度的測(cè)試；結(jié)合涂層制備工藝機(jī)理將涂層分為同溫涂層與異溫涂層，并分別建立計(jì)算模型實(shí)現(xiàn)了涂層殘余應(yīng)力的測(cè)試。

熱障涂層性能評(píng)價(jià)可以參照表1中的公式。

另外，基于上述技術(shù)，設(shè)計(jì)并研制了涂層殘余應(yīng)力測(cè)試儀及配套軟件，該項(xiàng)技術(shù)通過(guò)國(guó)際專(zhuān)利合作協(xié)議（PCT），獲得美國(guó)專(zhuān)利授權(quán)。在國(guó)際專(zhuān)利的引領(lǐng)下，與國(guó)際知名的熱分析儀器制造商德國(guó)林賽斯公司簽署戰(zhàn)略合作協(xié)議，合作開(kāi)展涂層熱膨脹系數(shù)儀與殘余應(yīng)力測(cè)試儀器的研制與銷(xiāo)售，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新技術(shù)的國(guó)際化應(yīng)用。

三步法技術(shù)克服了一些常規(guī)技術(shù)的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了過(guò)去經(jīng)常遇到但又無(wú)法解決的技術(shù)難題。在涂層熱物理性能評(píng)價(jià)領(lǐng)域中位于領(lǐng)先地位，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)外的空白，系列技術(shù)成功轉(zhuǎn)化為5項(xiàng)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（表2），有效地提高了我國(guó)的科技競(jìng)爭(zhēng)力和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。三步法測(cè)試涂層系列技術(shù)成果經(jīng)中國(guó)建筑材料聯(lián)合會(huì)科技成果鑒定，得出以下結(jié)論：相對(duì)法測(cè)試技術(shù)解決了陶瓷涂層熱物理性能測(cè)試的系列國(guó)際性難題。成果創(chuàng)新性突出，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)外空白，達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平。

5 熱障涂層檢測(cè)技術(shù)下一步發(fā)展趨勢(shì)

目前，基于相對(duì)法測(cè)試技術(shù)已實(shí)現(xiàn)了絕大部分熱障涂層本征性能以及部分服役性能的準(zhǔn)確測(cè)試。隨著熱障涂層服役溫度進(jìn)一步的升高以及對(duì)涂層實(shí)際服役性能變化規(guī)律需求的進(jìn)一步提高，在未來(lái)熱障涂層檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展中將會(huì)更加注重兩方面的研究?jī)?nèi)容：第一，對(duì)熱障涂層更苛刻服役條件下性能準(zhǔn)確的準(zhǔn)確評(píng)價(jià)，包括熱障涂層超高溫環(huán)境性能測(cè)試，熱障涂層高溫水氧腐蝕環(huán)境下性能測(cè)試等；第二，熱障涂層實(shí)際服役性能的測(cè)試評(píng)價(jià)，結(jié)合熱障涂層的實(shí)際服役環(huán)境進(jìn)行更深入研究，包括熱障涂層抗熱震性能評(píng)價(jià)方法；熱障涂層壽命預(yù)測(cè)技術(shù)研究；熱障涂層構(gòu)件服役過(guò)程內(nèi)應(yīng)力變化規(guī)律等。