羅 納，何 兵，張小鋒

(1. 廣東工業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院，廣東 廣州 510006； 2. 廣東省科學(xué)院新材料研究所，廣東 廣州 510651)

[收稿日期] 2022-01-20

[通信作者] 張小峰(1986-)，博士，高級(jí)工程師，主要從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱障/環(huán)境障涂層研究，電話：13825053295，E - mail：zxf200808@126.com

0 前 言

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)向著高推重比發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪進(jìn)口的溫度不斷提高。目前最先進(jìn)鎳基高溫合金單晶的使用溫度不超過(guò)1 150 ℃，且已接近其使用溫度極限[1-3]。高溫結(jié)構(gòu)材料以及氣膜冷卻技術(shù)已不能滿足先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)迅速發(fā)展的迫切要求。熱障涂層(TBCs)技術(shù)不僅使葉片在工作環(huán)境中具有優(yōu)良的抗氧化、耐腐蝕性能，而且可以大幅降低葉片的表面溫度 (100～200 ℃)，使現(xiàn)有高溫合金材料用于更高推重比航空發(fā)動(dòng)機(jī)成為可能[4]。熱障涂層技術(shù)是將耐高溫、抗腐蝕、高隔熱的陶瓷材料涂覆在基體合金表面，以提高基體合金抗高溫氧化腐蝕能力、降低合金表面工作溫度的一種熱防護(hù)技術(shù)[5-7]。采用熱障涂層技術(shù)是目前大幅度提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度的低成本且高效的方法。

DZ125高溫合金是為航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制的定向凝固高壓渦輪工作葉片材料，具有較高的力學(xué)性能和良好的可鑄性，已大量用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪工作葉片[8，9]。目前國(guó)內(nèi)對(duì)于在DZ125合金基體上噴涂熱障涂層后進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)對(duì)比的研究較少[10-12]。本工作采用等離子噴涂 - 物理氣相沉積工藝(PS - PVD)、磁控濺射、熱處理技術(shù)在DZ125高溫合金上制備鍍鋁改性熱障涂層，通過(guò)分析試樣斷口特征與力學(xué)數(shù)據(jù)，研究了鍍鋁改性熱障涂層對(duì)DZ125高溫合金的拉伸性能、高溫持久性能、疲勞性能等力學(xué)性能的影響。

1 試 驗(yàn)

1.1 材 料

試驗(yàn)使用基體材料為DZ125高溫合金，其化學(xué)成分如表1所示，熱處理工藝為：1 180 ℃/2 h+1 230 ℃/3 h，空冷；1 100 ℃/4 h，空冷；870 ℃/20 h，空冷。分別將DZ125合金按照HB 5143-1996要求加工成φ8 mm×40 mm室溫拉伸試樣，按照HB 5150-1996要求加工成φ5 mm×25 mm高溫持久試樣以及按照HB 5153-1996要求加工成φ4 mm，Kt=1的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試樣。

表1 DZ125鎳基高溫合金的主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

采用FEI NNS450掃描電鏡對(duì)拉伸試樣斷口進(jìn)行宏觀、微觀觀察。

1.2 鍍鋁改性PS - PVD 7YSZ熱障涂層制備

采用PS - PVD設(shè)備(Oerlikon - Metco)在DZ125合金上制備NiCrAlY粘結(jié)層和7YSZ陶瓷層。噴涂前使用煤油、丙酮去除基體表面的油污、氧化物以及其他雜物，然后將其放入酒精中超聲清洗10 min，最后采用46號(hào)棕剛玉砂對(duì)基體表面進(jìn)行噴砂粗化，噴砂壓力為0.45 MPa，噴砂角度保持60°。采用PS - PVD在DZ125合金基體表面制備NiCrAlY粘結(jié)層, 拋光(降低粗糙度且去除粘結(jié)層表面的未有效沉積顆粒)并噴砂(為提高結(jié)合強(qiáng)度, 粗糙度控制在～2 μm), 再采用PS - PVD以納米團(tuán)聚的7YSZ粉末(牌號(hào): M6700, OerlikonMetco)為原料在粘結(jié)層表面制備陶瓷涂層，具體噴涂參數(shù)如表2所示。將制備好的7YSZ熱障涂層試樣用丙酮、酒精清洗，烘干后放入直流脈沖磁控濺射鍍膜機(jī)中進(jìn)行鍍鋁，最后對(duì)鍍鋁試樣進(jìn)行真空熱處理，熱處理參數(shù)：665 ℃保溫2 h，808和980 ℃分別保溫1 h，真空度≤5×10-3Pa，在涂層表面制備一層致密氧化鋁。

表2 PS - PVD 噴涂 7YSZ 涂層的工藝參數(shù)

1.3 力學(xué)試驗(yàn)方法

按照HB 5143-1996“金屬室溫拉伸試驗(yàn)方法”規(guī)定進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，按照HB 5150-1996“金屬高溫拉伸持久試驗(yàn)方法”規(guī)定進(jìn)行高溫持久試驗(yàn)，試驗(yàn)條件為 980 ℃，235 MPa；按照HB 5153-1996“金屬高溫旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)方法”規(guī)定進(jìn)行高周疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)條件為900 ℃，450 MPa。

2 結(jié)果與討論

2.1 室溫拉伸性能

DZ125基體及其涂覆鍍鋁改性TBCs試樣在進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)后，其宏觀形貌如圖1所示。從圖1可知，2組試樣均無(wú)明顯頸縮與剪切唇現(xiàn)象。表面為結(jié)晶狀的小刻面，不同角度的小刻面隨光線角度變化形成光亮金屬反光。斷口整體較為平整，邊緣呈鋒利的楔形特征[13]。無(wú)涂層DZ125基體試樣在試驗(yàn)后其表面出現(xiàn)大量橫向裂紋(圖1a)，此類裂紋會(huì)削弱涂層與基體的結(jié)合效果，對(duì)涂層的附著產(chǎn)生負(fù)面影響[14]。噴涂了鍍鋁改性TBCs試樣的涂層呈環(huán)形剝落(圖1b)，其形成原因?yàn)槭覝乩爝^(guò)程中脆斷過(guò)程較快，基體與涂層的收縮率不匹配導(dǎo)致斷裂瞬間兩者之間產(chǎn)生較大軸向應(yīng)力，涂層整體脫離基體表面。

圖2為DZ125基體及其涂覆鍍鋁改性TBCs試樣進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)后的SEM形貌。從圖2可知，2組試樣斷口整體形貌差別不大(圖2a，2b)，屬于解理斷裂與類解理斷裂形貌?；w試樣斷口有多層臺(tái)階狀解理斷裂紋路(圖2c)，形成過(guò)程為不同層面的裂紋在水平位置相遇時(shí)發(fā)生二次斷裂，形成臺(tái)階。在涂層試樣斷口同樣可以觀察到同類臺(tái)階狀解理斷裂紋路(圖2d)。從斷口整體形態(tài)分析，基體試樣與涂層試樣在斷裂模式?jīng)]有明顯差異，屬于脆性斷裂特征。

2組試樣室溫拉伸結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 DZ125合金及其涂覆鍍鋁改性TBCs后的室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果

從表3可知，涂覆鍍鋁改性TBCs試樣在抗拉強(qiáng)度、規(guī)定非比例伸長(zhǎng)應(yīng)力及斷面收縮率方面的數(shù)據(jù)與基體試樣的無(wú)明顯差異，斷后伸長(zhǎng)率稍有上升，數(shù)據(jù)變化幅度在正常范圍內(nèi)，由此表明涂覆鍍鋁改性TBCs不影響DZ125合金的室溫拉伸性能。

2.2 高溫持久性能

高溫合金在高溫下的持久強(qiáng)度是合金的重要力學(xué)性能指標(biāo)，主要體現(xiàn)方式為在應(yīng)力、溫度一定條件下蠕變性能的變化。圖3為DZ125基體及其涂覆鍍鋁改性TBCs試樣經(jīng)高溫持久試驗(yàn)后的宏觀形貌。從圖3可以看出，2組試樣都有明顯的頸縮與剪切唇現(xiàn)象。斷口周邊涂層有明顯的開(kāi)裂與孔洞(圖3a，3b)。斷口表面比較疏松且凹凸不平，大部分區(qū)域分布有密集的韌窩，整體形貌上屬于韌窩 - 微孔聚集型的延性斷裂(圖3c，3d)。

從徑向角度觀察基體試樣與涂覆鍍鋁改性TBCs試樣斷口發(fā)現(xiàn)，基體試樣靠近斷口的側(cè)表面有大量橫向裂紋(圖4a)，從涂層試樣的涂層脫落部分觀察其合金基體，也有與基體試樣形貌類似的裂紋，但其尺寸更小。這表明在高溫持久拉伸試驗(yàn)中，鍍鋁改性TBCs能減緩基體表面裂紋源的擴(kuò)展。

圖5為DZ125基體及其涂覆鍍鋁改性TBCs試樣經(jīng)高溫持久拉伸試驗(yàn)后斷口的SEM形貌。從圖5可以看出，2組試樣的斷口差異不大，有明顯的韌窩與孔洞(圖5a，5d)。在高溫持久試驗(yàn)中，當(dāng)恒載荷應(yīng)力超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度時(shí)開(kāi)始發(fā)生塑性變形。在沉淀夾雜物與金屬界面處或者夾雜物本身在應(yīng)力作用下開(kāi)裂形成區(qū)域缺陷，開(kāi)始分離產(chǎn)生微孔。頸縮程度隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而加劇，微孔之間的壁壘也逐漸變薄，最終形成連續(xù)的宏觀裂紋導(dǎo)致斷裂，形成韌窩斷口。2組試樣斷口表面都有密布的等軸韌窩以及有夾雜物的韌窩(圖5b，5e)。在更高倍數(shù)觀察下，可以看到2組試樣斷口表面都布滿了一層密集的球狀物(圖5c，5f)，這一層球狀物為基體在高溫拉伸斷裂后斷口快速氧化形成的一層氧化層。

試樣的涂層在高溫持久拉伸過(guò)程中僅斷口周邊有部分剝落現(xiàn)象。其原因是鍍鋁TBCs的粘結(jié)層有較好的高溫塑形，在試驗(yàn)過(guò)程中能夠與基體保持同步變形，保證了涂層在基體塑形變形過(guò)程中有效附著。涂層面層為柱狀晶結(jié)構(gòu)，在受到軸向應(yīng)力時(shí)能夠與粘結(jié)層一同變形有助于涂層整體保持完整性。

圖6為鍍鋁改性TBCs試樣高溫持久試驗(yàn)后斷口周邊涂層的SEM形貌。從圖6可以看出，涂層表面有比較明顯的裂紋，該裂紋沿陶瓷層柱狀晶簇間橫向擴(kuò)展(圖6a)。這種裂紋的產(chǎn)生主要與各層物質(zhì)之間彈塑性變形能力差異有關(guān)[15]。陶瓷面層與粘結(jié)層分層脫落，這是由于粘結(jié)層對(duì)基體的粘合力更強(qiáng)，陶瓷面層在晶簇間形成裂紋后，柱狀晶結(jié)構(gòu)與粘結(jié)層結(jié)合強(qiáng)度減弱，導(dǎo)致部分脫落(圖6b)。由于粘結(jié)層與基體間物性的接近，這種由表及里的開(kāi)裂在粘結(jié)層中受到抑制，只有極少數(shù)裂紋穿透到基體[16，17]。無(wú)脫落區(qū)域表面均大部分保持試驗(yàn)前形態(tài)，表明涂覆鍍鋁改性TBCs不會(huì)影響涂層試樣在高溫持久試驗(yàn)中的服役狀況。

從軸向角度觀察涂層，部分區(qū)域涂層整體與基體分層，涂層面層與粘結(jié)層之間保持緊密結(jié)合，基體在高溫持久作用下產(chǎn)生明顯頸縮，導(dǎo)致斷口部分基體直徑明顯減少，涂層相互之間的作用力大于涂層與基體之間的結(jié)合力，形成了涂層整體“架空”于基體的脫落情況(圖6c)，同時(shí)基體在高溫持久作用下于側(cè)表面產(chǎn)生橫向裂紋也同樣會(huì)加劇這一脫落現(xiàn)象。涂層的斷口為凹凸不平的密布孔隙形貌(圖6d)。

DZ125基體及其涂覆鍍鋁改性TBCs試樣在980 ℃/235 MPa條件下的高溫持久拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。從表4可以看出，涂覆鍍鋁改性TBCs試樣的斷后伸長(zhǎng)率相較基體試樣的有明顯降低。其原因?yàn)橥扛插冧X改性TBCs試樣在高溫環(huán)境下其基體的溫度相比直接暴露的基體試樣的更低，塑形變形程度也更低。這與試驗(yàn)結(jié)果一致，表明涂覆鍍鋁改性TBCs對(duì)DZ125合金的高溫持久性能沒(méi)有負(fù)面影響，使DZ125合金的持久斷裂塑性有明顯提高。

表4 DZ125合金及其涂覆鍍鋁TBCs試樣在980 ℃/235 MPa條件下的高溫持久拉伸試驗(yàn)結(jié)果

2.3 旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞性能

高溫合金在實(shí)際應(yīng)用中，除了需要面對(duì)強(qiáng)烈的蠕變載荷，同時(shí)需要承受非常高強(qiáng)度的疲勞載荷，大量實(shí)驗(yàn)表明，疲勞破壞一般源始于試樣表面[18-20]。

圖7為DZ125基體及其涂覆鍍鋁改性TBCs試樣旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)斷裂后的宏觀形貌。從圖7可以看出，基體試樣斷口整體較為平整，垂直于軸心(圖7a)。涂層試樣斷口起伏較大，呈現(xiàn)多個(gè)互相呈一定夾角的光滑晶體學(xué)平面(圖7b)，但2者斷口整體上都無(wú)明顯塑形變形，屬于脆性斷裂。

圖8為DZ125基體及其涂覆鍍鋁改性TBCs試樣旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)后斷口的SEM形貌。

從圖8可以看出，2者斷口形貌有一定差異，基體試樣斷口形貌比較符合低周疲勞斷口形貌，可以觀察到大量解理斷裂過(guò)程中形成的魚(yú)骨狀斷裂紋路(圖8a，8b)，以及明顯的放射性紋路(圖8c)，可以依據(jù)此紋路推斷出裂紋源位置。涂層試樣斷口形貌屬于高周疲勞斷口形貌。由于DZ125合金為面心立方定向凝固的鎳基高溫合金，能在瞬斷區(qū)觀察到類解理小平面和平行鋸齒狀斷裂特征[21](圖8d)；有多次解理斷裂形成互相交錯(cuò)的臺(tái)階形態(tài)，表面附著了一層高溫環(huán)境下形成的氧化物質(zhì)(圖8e)；在斷口裂紋源附近可以看到明顯呈弧形分布的“漣漪”狀相互平行的疲勞條帶(圖8f)。

徑向觀察涂層斷口發(fā)現(xiàn)，試樣涂層的斷口均比較平整，在斷口周邊有部分涂層整體脫落，留存涂層表面形貌保持試驗(yàn)前整體致密狀態(tài)(圖9a)，且粘結(jié)層與面層結(jié)合狀況良好，無(wú)面層單獨(dú)剝落情況(圖9b)。軸向方向觀察涂層的面層、粘結(jié)層、基體3者之間均無(wú)明顯分層或貫穿裂紋(圖9c、9d)。

DZ125基體及其涂覆鍍鋁改性TBCs試樣900 ℃/450 MPa/4 000 r/min旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 DZ125基體及其涂覆鍍鋁改性TBCs試樣900 ℃/450 MPa/4 000 r/min旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)結(jié)果

從表5可以看出，涂覆TBCs試樣相較于基體試樣在循環(huán)周次上有超過(guò)1個(gè)量級(jí)的提升。這是由于熱障涂層降低了基體溫度，延長(zhǎng)了基體的疲勞壽命，表明在DZ125合金表面涂覆熱障涂層能提升其旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞性能。

3 結(jié) 論

(1)DZ125合金涂覆鍍鋁改性TBCs后，對(duì)其室溫拉伸性能無(wú)明顯影響；對(duì)980 ℃/235 MPa高溫持久拉伸壽命無(wú)明顯負(fù)面影響，提升了持久拉伸塑形性能；對(duì)900 ℃/450 MPa/4 000 r/min條件下旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞壽命有明顯延長(zhǎng)。

(2)鍍鋁改性TBCs對(duì)DZ125高溫合金的拉伸力學(xué)性能無(wú)不利影響，不影響合金的正常使用。