Tato studie zaměřená na fenomén odlupování povlaku tepelné bariéry na pracovních turbínových lopatkách motoru během zkušebního provozu zjistila hlavní příčinu odlupování povlaku během používání produktu pomocí makroskopického pozorování, analýzy morfologie rastrovacím elektronovým mikroskopem a analýzy mikrosložek energetického spektra, kombinované s výsledky šetření celého procesu procesu a předkládat návrhy na zlepšení technologie zpracování následných dílů.
Tepelná bariérová vrstva s fyzikálním nanášením elektronovým svazkem (EB-PVD) byla široce používána v lopatkách leteckých motorů a stala se nepostradatelnou klíčovou technologií pro lopatky leteckých motorů. Technologie EB-PVD je technologie, která využívá elektronový paprsek s vysokou hustotou energie k ohřevu materiálu, který se má odpařit, do vodou chlazeného kelímku ve vakuovém prostředí tak, aby dosáhl roztaveného zplynovacího stavu a během působení se odpařil na substrát. vychylovacího magnetického pole ke kondenzaci do povlaku. Existuje mnoho druhů tepelně bariérových povlakových struktur EB-PVD, včetně dvouvrstvé struktury, gradientové struktury a vícevrstvé struktury, z nichž nejrozšířenější je dvouvrstvý tepelně bariérový povlak. Dvouvrstvý tepelně bariérový povlak se skládá z keramické vrchní vrstvy a kovové spojovací vrstvy. Keramická vrstva hraje hlavně roli tepelné izolace a kovová spojovací vrstva hraje hlavně roli zmírnění nesouladu tepelné roztažnosti mezi matricí a keramickou vrstvou a zlepšení odolnosti matrice vůči oxidační korozi při vysokých teplotách. V aktuálním pracovním prostředí vytvoří rozhraní mezi spojovací vrstvou a keramickou vrstvou oxidovou vrstvu, jejíž hlavní složkou je -Al2O3, čímž se zabrání další difúzi O-prvků do povlaku. Hlavním problémem, kterému čelí aplikace tepelně bariérových povlaků, je trvanlivost povlaku, zejména odolnost povlaku proti odlupování, která je ovlivněna mnoha faktory, jako je stav napětí v keramické vrstvě, mikrostruktura spojovací vrstvy, tloušťka a stav napětí vrstvy TGO a odolnost proti lomu různých rozhraní mezi spojovací vrstvou a TGO. V současné době se uznává, že oxidace spojovací vrstvy je klíčovým faktorem pro určení životnosti povlaku tepelné bariéry.
1. Průběh a výsledky testu
1.1 Makroskopické pozorování morfologie odlupování povlaku
9 hodin po zkoušce motoru bylo zjištěno, že povlak na povrchu pracovní lopatky se odlupuje a plocha odlupování překračuje standardní požadavky. Jeho makromorfologie je znázorněna na obrázku 1.
1.2 Srovnávací analýza nátěru před a po použití
Aby bylo možné dále analyzovat příčiny loupání povlaku listů, byly oslužné listy porovnány s novými listy ze stejné šarže a složky povlaku a mikrostruktura špiček čepelí a středních částí každého listu byly porovnány a analyzovány podle listu pozice zobrazené na obrázku 2.
1) Srovnání makromorfologie listů. Servisní čepel a nová čepel byly porovnány a pozorovány a morfologie byla znázorněna na obrázku 3. Odlupování povlaku servisní čepele se soustřeďuje hlavně na vstupní hraně a výstupní hraně čepele poblíž špičky čepele.
2) Analýza chemického složení. Vzorky byly odebrány z hrotu čepele a středu těla čepele a metalografické vzorky byly připraveny po horké mozaice. Podle detekčních částí znázorněných na obrázku 2 byly složky povlaku na každé části čepele analyzovány energetickým spektrem. Výsledky ukázaly, že obsah hlavního prvku ve spodní vrstvě loupaných listů byl v zásadě stejný jako ve stejné dávce neinstalovaných listů, ale nebyl patrný žádný rozdíl v obsahu hlavního prvku v povrchové vrstvě.
3) Analýza morfologie povlaku. Metalografické vzorky byly pozorovány rastrovacím elektronovým mikroskopem a výsledky jsou znázorněny na obrázku 4. Z obrázku je vidět, že spodní vrstva čepele, kde se odlupuje povlak, je neporušená a na dně zůstala tkáň povrchové vrstvy. vrstva. Povlak je odtržen od kořene sloupcového krystalu povrchové vrstvy a mezi povrchovou vrstvou a spodní vrstvou je asi 1 μm TGO vrstva. Dále byla analyzována kompletní struktura povlaku v různých polohách lopatky a ve střední části lopatky byla pozorována mikroskopická morfologie od vstupní hrany k výstupní hraně. Na vstupní hraně střední části čepele praskl válcovitý krystal povrchové vrstvy podél kořene, což naznačuje, že se povlak na špičce čepele začíná odlupovat a lom zasahuje do středu čepele. . Na druhé straně jsou sloupcové krystalové struktury povrchové vrstvy na zadní straně listu a na okraji výfuku seskupeny dohromady, nikoli v péřovitém rozložení, vzdálenost mezi sloupcovými krystaly není zřejmá a kořen sloupcového krystalu je volnější než špička.
Skenovací elektronová mikroskopie byla provedena na různých pozicích neinstalovaných čepelí stejné šarže a výsledky jsou zobrazeny na obrázku 5. Jak je patrné z obrázku 5, struktura povlaku nově vyrobených listů je stejná jako u oloupaných listů . Horní konec sloupcového krystalu je hustě rozmístěn a struktura povrchové vrstvy je tvořena vrstvením vrstev. Mezi povrchovou vrstvou a spodní vrstvou je patrná vrstva TGO, jejíž tloušťka je asi 1 μm. Existence TGO vrstvy mezi spojovací vrstvou a keramickou vrstvou na čepeli ukazuje, že během nanášení keramické vrstvy je v peci určité množství O, které podporuje tvorbu TGO vrstvy, a stupeň vakua pec nemusí splňovat normové požadavky, takže vrstva TGO se nejprve vytvoří na spoji spodní vrstvy a povrchové vrstvy. Současně na špičce čepele existuje i povrchová keramická prasklina podél sloupcového krystalu.
Proces nanášení tepelné bariéry čepele je následující: předúprava povrchu čepele → víceobloukové iontové pokovování nanášecí základna → vakuová difúze → čištění ultrazvukem → povrchová vrstva nanášení vakuovým elektronovým paprskem. Při jeho zpracování se kovová spojovací vrstva i keramická vrstva nanášejí ve vakuu, takže by mezi spojovací vrstvou a keramickou vrstvou neměla vzniknout vrstva TGO o tloušťce cca 1 μm. Stávající proces přípravy povlaku tepelné bariéry neobsahuje vrstvu TGO pro detekci tkáně, takže je třeba podrobně prokázat vliv vrstvy TGO generované v procesu přípravy na výkon a životnost povlaku s tepelnou bariérou, takže je není nutné zde zacházet do podrobností. Pokud však stupeň vakua v peci neodpovídá požadavkům, může struktura a vlastnosti keramického povrchu ovlivnit životnost tepelné bariéry, což je ověřeno experimenty v této studii.
1.3 Zkouška mikrotvrdosti
Tvrdost keramického povrchu dvou druhů čepelí byla testována a výsledky jsou uvedeny v tabulce 1. Je vidět, že neexistuje žádný významný rozdíl v hodnotě tvrdosti keramického povrchu potažené loupací čepele a že neinstalované čepele ze stejné šarže, což naznačuje, že hodnota tvrdosti čepele ve stejné šarži se před a po použití významně nemění.
1.4 Ověřovací test
Keramická vrstva povlaku tepelné bariéry se provádí fyzikálním nanášením elektronovým paprskem. ZrO2 se zahřívá ve vakuové peci, dokud se z ingotu neodpaří, a poté se pomalu ukládá na povrch lopatky. Tvar a tloušťka růstu keramické vrstvy jsou zajištěny řízením parametrů, jako je proud, stupeň vakua a doba nanášení ve vakuové peci. Po přezkoumání procesu bylo zjištěno, že existují záznamy o výměně drátu zbraně nebo oleje mechanického čerpadla ve vakuové peci, což přímo ovlivní stupeň vakua vakuové pece a poté ovlivní růst sloupcových krystalů keramického povlaku. Aby se ověřilo, zda stupeň vakua má vliv na morfologii a vlastnosti válcových krystalů keramické vrstvy, provádějí se depoziční testy různých keramických vrstev s použitím procesních parametrů v tabulce 2.
Povlak listu byl pozorován elektronovým mikroskopem za dvou podmínek. Výsledky ukazují, že při stejném napětí, proudu a době depozice, kdy je stupeň vakua v peci 5×10−4 Torr, se keramické sloupcové krystaly jeví jako péřovité nebo pšeničné a mezi spojovací vrstvou není žádná vrstva TGO a keramickou vrstvu (obr. 6a). Když byl stupeň vakua 5 × 10-3 Torr, byly sloupcové krystaly keramického povlaku hrubé a nevykazovaly pírko nebo hrot. Mikrostruktura kořene sloupcových krystalů byla relativně volná ve srovnání s mikrostrukturou konce a mikrostruktura byla podobná mikrostrukturě neinstalovaných listů a mezi spojovací vrstvou a keramickou vrstvou byla vrstva TGO (OBR. 6b). . Současně byla testována tvrdost keramického povlaku pod dvěma stupni vakua a výsledky ukázaly, že tvrdost keramické vrstvy byla vyšší pod stupněm vakua 5×10−4 Torr, zatímco tvrdost keramické vrstvy deponovaný pod vakuem 5×10−3 Torr byl nižší (tabulka 3).
2. Závěr
1) Keramická vrstva vadné čepele je odtržena od kořene povrchové vrstvy a struktura kořene sloupcového krystalu je volná a střední a horní část sloupcového krystalu jsou seskupeny a rozmístěny ve vrstvách. Hodnota tvrdosti je nižší než u normální keramické vrstvy a struktura se výrazně liší od struktury normálního sloupcového krystalu potaženého keramikou.
2) Stupeň vakua má přímý vliv na morfologii růstu keramického povlaku. Když stupeň vakua splňuje standardní požadavky, sloupcové krystaly rostou jako pírka nebo uši. Když je stupeň vakua nižší než standardní požadavky, kořen sloupcového krystalu je volný, střední a horní část sloupcového krystalu je hustá a mezi spojovací vrstvou a keramickou vrstvou je zřejmá vrstva TGO.
3) To, že keramická vrstva vadné čepele nesplňuje požadavky na použití, je způsobena abnormálním stavem zařízení pro fyzické nanášení, což má za následek, že organizace nanesené keramické vrstvy nesplňuje standardní požadavky.
