激光重熔热障涂层热震行为研究
张学萍,水 丽,庞 红
沈阳工业学院学报
摘 要:在GH536高温合金基材上等离子喷涂NiCrAlY/8%Y2O3-ZrO2热障涂层,进行激光重熔.对不同激光工艺参数下的试样进行表面形貌观察并进行热震试验.试验结果表明:采用4.0 J/mm2的激光能量密度可以得到较好的表面质量,并且具有高于等离子喷涂试样的热震寿命.
关键词:热障涂层;等离子喷涂;激光重熔;热震寿命
在航空飞机发动机热端部件上采用热障涂层(TBCs:Thermal barrier coatings)是一种提高发动机效率的有效途径,并可以达到100℃或更高隔热效果[1-4].目前,激光重熔等离子喷涂热障涂层的研究仍处于实验室阶段,涂层失效机理存在疑点和争议[5,6].我们通过对不同激光重熔工艺参数下的等离子喷涂热障涂层试样的表面形貌观察及热震试验,分析了涂层失效机理,获得了表面质量及热震效果优良的TBCs.
1 试验条件及方法
1.1 试验条件
采用激光重熔等离子喷涂和等离子喷涂TBCs的两种方法制备试样.两种方法采用的设备分别是2 000 W横流连续CO2激光加工机和7 M等离子喷涂系统.试样基材为厚度6 mm的高温合金(GH536),化学成分和力学性能如表1、表2所示.
1.2 试样制备方法
基材采用50 mm×20 mm×6 mm的矩形试样,清洗及喷砂处理后,进行氩气保护等离子喷涂合金连接层(Ni22Cr10AlY粉末,200～300目).然后,大气等离子喷涂陶瓷顶层(8%Y2O3-ZrO2粉末,240～320目),连接层和顶层的厚度分别为80～100μm和280～300μm).最后激光重熔等离子喷涂TBCs试样表面,等离子喷涂及激光重熔工艺参数分别见表3、表4.
1.3 试验方法
利用金相显微镜、X射线衍射仪(XRD)对试样表面及涂层内部组织结构进行分析.采用热处理炉进行热震试验,温度从980℃升到1050℃,试件在炉中保温12 min,然后将试件水淬至80～90℃,试件表面自然晾干后,对试样表面进行观察,判定涂层的剥落程度.
2 试验结果与讨论
2.1 表面形貌
激光重熔试验表面形貌分析在外观质量合格的试样上进行,重熔表面无剥落,重熔层表面搭接圆滑,无明显变色,表面完全重熔的试样为合格(合格试样的功率密度范围为S:5.0～18.0 J/mm2,M:4.0～8.0 J/mm2).在50%和30%的搭接率下,典型试样的表面形貌如图1所示,可以看出,在同样激光能量密度6.72/J·mm2下,搭接率50%的为S2试样气孔少,气孔直径偏大.搭接率为50%时,相当于对涂层进行第二次重熔,其涂层气孔来源由于第一次重熔而减少,因此表面气孔较少.但因其输入能量多,一旦形成气孔容易长大,受两次热冲击,微裂纹扩展形成大裂纹,降低涂层质量,因此搭接率为30%的涂层质量较好.
在同样搭接率30%的情况下,随着能量密度的增大,气孔和凹陷的平均直径和密集程度增大,如图2所示.当能量密度大(8.0 J/mm2)时,重熔层加热程度大,熔深大,且熔池存在时间较长,熔池中气体上移距离较大,形成的气孔和凹陷有足够时间长大.此外,由于熔深的增大,形成气体的气孔来源增加,形核率增加,因此,气孔和凹陷比较密集.
在搭接率30%的情况下,不同能量密度处理后表面裂纹的形貌如图3a、图3b所示,当能量密度大时,从力学角度分析,熔池受热作用大,可以导致过高的热冲击应力,裂纹扩展阻力相对减少,形成较大的裂纹扩展区,且形成裂纹较宽,裂纹深度增加.当能量密度小时,裂纹密集,裂纹扩展阻力由于裂纹尖端比表面积的增加而相对提高,从而形成尺寸较小的裂纹.
能量密度及功率对重熔层晶粒大小的影响从图3a、图3c可见,随着能量密度的增加,组织由细小的胞状晶向粗大等轴晶转化.采用较小的能量密度,由于熔池受热作用小,过冷度大,易于形核,同时熔池的结晶速度相对较快,晶粒来不及长大,熔化的陶瓷已经完全凝固,形成细小胞状晶.显然,能量密度大时,则形成粗大等轴晶粒.
2.2 热震试验结果
等离子喷涂试样类型为PS,激光重熔试样类型为M系列和S系裂,失效判据以试样失效循环次数平均数为准,热震结果如表5所示.从表5中可以看到仅M1种激光重熔试样的寿命略有提高,其它均出现低热震寿命现象.激光重熔试样由于柱状晶组织及龟裂的形成,可以释放较好的热震应力,理应提高热震寿命,但结果却反而降低,其机理解释如下:随着激光能量的增加,重熔层深度增加,重熔层龟裂尺寸、裂纹深度、柱状晶尺寸均增加,当能量密度达到8.0 J/mm2时,柱状晶晶粒粗大,甚至网状裂纹扩展到喷涂态陶瓷层中,形成裂纹源.在热震过程中扩展到TC/BC界面或在PC陶瓷层中平行界面扩展从而恶化热震阻力,因此降低热震寿命.
等离子喷涂和激光重熔试样的X射线衍射(XRD)分析如图4所示,热震试验后典型试样的(XRD)分析如图5所示.图4说明等离子喷涂和激光重熔试样陶瓷主要由t′相构成,激光重熔后相结构没有发生变化,相变应力可以忽略.图5说明,40次热震后,在1 050℃发生部分相变,m相略有增加.但仍然保持t′相为主,虽然部分形成m相,但由于其相变增韧作用及在加速热震试验条件下相变应力与热冲击力相比作用不大,因此对热震寿命的影响可以忽略.
综上所述,相变应力对热震寿命影响不大.等离子喷涂和激光重熔试样失效过程基本相同,表现为试样表面出现单元面积脱落,随着脱落增加直至脱落面积的扩展,脱落发生在陶瓷层中,以热震应力为主.M2类激光重熔试样具有略高于等离子喷涂试样的热震寿命,其原因在于合适的激光能量产生的重熔层厚度、龟裂尺寸及柱状晶组织比较适中.
3 结束语
1)在保证重熔层能够完全熔化的条件下,采用4.0J/mm2的能量密度可以得到符合要求的TBCs重熔层的表面质量.
2)采用4.0 J/mm2的能量密度及30%的搭接率可以产生薄而均匀的重熔层厚度、产生较小的龟裂尺寸及较细的柱状晶组织,具有较好的抗热震性.
3)改善激光束能量分布以控制重熔层组织的均匀性,有助于提高TBCs质量和热震寿命.
参考文献略
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