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热障涂层的破坏机理(APS)

时间:2019-11-07 22:26:30  来源:  作者:

 

热障涂层是一种典型的多层结构系统, 通常由基底(Substrate)、中间过渡层(Bond Coat,简称BC)以及顶部陶瓷层(Ceramic Top Coat , 简称TC)组成.基底的作用主要是承受机械载荷, 常用的材料是镍基高温合金.中间过渡层(也称之为粘结层)的作用是将陶瓷层与基底层很好地粘结在一起, 并提高基底的抗氧化性能, 常用的材料有MCrAlY(MNiNiCo)合金和Pt改性的Al化合物两种, 粘结层的厚度通常在75-150μm之间。在应用过程中热障涂层系统内的界面开裂和涂层的剥落失效是限制热障涂层长时间使用的瓶颈难题。引起剥落的原因有以下几点:热障涂层有复杂的多层结构;各层材料的热膨胀系数有较大差异使之存在热应力和残余应力;高温环境容易氧化;陶瓷层在高温时发生烧结效应及相变;外界损伤和冲蚀。

        大气等离子喷涂涂层的失效机理:1. 粘结层界面起伏波峰处是拉应力, 而波谷处是压应力, 随着TGO(陶瓷层与粘结层之间形成的氧化层)的变厚, 拉应力增加, 导致粘结层/TGO界面波峰处发生开裂。有限元模拟也得到了类似的结果。2. 陶瓷层与粘结层及高温合金基体间的热膨胀失配使整个陶瓷层在室温都处于压应力状态.但是, 由于TGO/陶瓷层界面粗糙度比较大, 波峰附近处的陶瓷层处于拉应力状态, 而波谷处是处压应力状态, 会导致裂纹在波峰处的TGO/陶瓷层界面萌生。3. 波峰附近处的陶瓷层内的拉应力达到其破坏强度时, 会在该陶瓷层中萌生裂纹。4.随着TGO的变厚, TGO成为粗糙不平的粘结层的一部分, TGO超过某一厚度, 粘结层与TGO“复合物”的热膨胀系数变得比粘结层和陶瓷层的都低,导致陶瓷层不规则波谷处的应力性质方式改变, 即由压应力变成拉应力。应力性质的改变会造成裂纹在两波峰间的陶瓷层内萌生。

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