Deze studie richtte zich op het fenomeen van het loslaten van de thermische barrièrecoating van werkende turbinebladen tijdens het testen en ontdekte de hoofdoorzaak van het loslaten van de coating tijdens het gebruik van het product door middel van macroscopische observatie, morfologieanalyse met een scanning-elektronenmicroscoop en analyse van microcomponenten in het energiespectrum, gecombineerd met de onderzoeksresultaten van het hele procesproces, en suggesties doen voor verbetering van de verwerkingstechnologie van volgende onderdelen.
Elektronenbundel fysische dampafzetting (EB-PVD) thermische barrièrecoating wordt op grote schaal gebruikt in vliegtuigmotorbladen en is een onmisbare sleuteltechnologie geworden voor vliegtuigmotorbladen. EB-PVD-technologie is een technologie die gebruik maakt van een elektronenbundel met hoge energiedichtheid om het te verdampen materiaal in een watergekoelde smeltkroes in een vacuümomgeving te verwarmen, zodat het een gesmolten vergassingstoestand bereikt en onder invloed van de actie naar het substraat verdampt. van een afbuigend magnetisch veld dat condenseert tot een coating. Er zijn veel soorten EB-PVD thermische barrièrecoatingstructuren, waaronder een dubbellaagse structuur, gradiëntstructuur en meerlaagse structuur, waarvan de meest gebruikte de dubbellaagse thermische barrièrecoating is. De dubbellaagse thermische barrièrecoating bestaat uit een keramische toplaag en een metaalbindingslaag. De keramische laag speelt voornamelijk de rol van warmte-isolatie, en de metaalbindende laag speelt voornamelijk de rol van het verlichten van de thermische uitzettingsmismatch tussen de matrix en de keramische laag, en het verbeteren van de weerstand van de matrix tegen oxidatiecorrosie bij hoge temperaturen. In de werkelijke werkomgeving zal het grensvlak tussen de hechtlaag en de keramische laag een oxidelaag vormen, waarvan het hoofdbestanddeel -Al2O3 is, waardoor de verdere diffusie van O-elementen in de coating wordt verhinderd. De belangrijkste uitdaging bij het aanbrengen van thermische barrièrecoatings is de duurzaamheid van de coating, vooral de weerstand van de coating tegen afbrokkelen, die wordt beïnvloed door vele factoren, zoals de spanningstoestand in de keramische laag, de microstructuur van de hechtlaag, de dikte en spanningstoestand van de TGO-laag, en de breukweerstand van de verschillende grensvlakken tussen de verbindingslaag en TGO. Momenteel wordt erkend dat de oxidatie van de hechtlaag de sleutelfactor is om de levensduur van de thermische barrièrecoating te bepalen.
1. Testproces en resultaten
1.1 Macroscopische observatie van de morfologie van het afbrokkelen van coatings
9 uur na de motortest bleek dat de coating op het oppervlak van het werkblad afbladderde en dat het afsplinteringsgebied de standaardvereisten overschreed. De macromorfologie wordt getoond in Figuur 1.
1.2 Vergelijkende analyse van coating voor en na gebruik
Om de oorzaken van het afbladderen van de bladcoating verder te analyseren, werden de servicebladeren vergeleken met de nieuwe bladeren van dezelfde batch, en werden de coatingcomponenten en microstructuur van de bladpunten en middelste delen van elk blad vergeleken en geanalyseerd op basis van het blad. posities weergegeven in figuur 2.
1) Vergelijking van bladmacromorfologie. Het servicemes en het nieuwe mes werden vergeleken en geobserveerd, en de morfologie werd getoond in figuur 3. Het afbladderen van de coating van het servicemes is voornamelijk geconcentreerd in de inlaatrand en de uitlaatrand van het mes nabij de punt van het mes.
2) Analyse van de chemische samenstelling. Er werden monsters genomen van de punt van het blad en het midden van het bladlichaam, en metallografische monsters werden bereid na heet Mozaïek. Volgens de detectiedelen getoond in Figuur 2 werden de coatingcomponenten op elk deel van het blad geanalyseerd aan de hand van het energiespectrum. De resultaten toonden aan dat de inhoud van het hoofdelement in de onderste laag van de geschilde bladeren in principe hetzelfde was als die in dezelfde partij niet-geïnstalleerde bladeren, maar er was geen duidelijk verschil in de inhoud van het hoofdelement in de oppervlaktelaag.
3) Analyse van de coatingmorfologie. Metallografische monsters werden waargenomen met behulp van scanning-elektronenmicroscopie en de resultaten zijn weergegeven in Figuur 4. Uit de figuur blijkt dat de onderste laag van het mes waar de coating is afgepeld intact is en dat er wat oppervlaktelaagweefsel op de bodem achterblijft. laag. De coating is gebroken vanaf de wortel van het kolomvormige kristal van de oppervlaktelaag en er bevindt zich ongeveer 1 μm TGO-laag tussen de oppervlaktelaag en de onderste laag. Verder werd de volledige coatingstructuur op verschillende posities van het blad geanalyseerd en werd de microscopische morfologie van de inlaatrand tot de uitlaatrand waargenomen in het middengedeelte van het blad. Aan de inlaatrand van het middengedeelte van het blad is het cilindrische kristal van de oppervlaktelaag langs de wortel gebarsten, wat aangeeft dat de coating begint af te pellen aan de punt van het blad en dat de breuk zich uitstrekt tot het midden van het blad . Aan de andere kant zijn de kolomvormige kristalstructuren van de oppervlaktelaag aan de achterkant van het blad en de uitlaatrand samen geclusterd, niet in een veerachtige verdeling, de afstand tussen de kolomvormige kristallen is niet duidelijk, en de wortel van het kolomvormige kristal is losser dan de tip.
Rasterelektronenmicroscopie werd uitgevoerd op verschillende posities van niet-geïnstalleerde bladen van dezelfde batch, en de resultaten zijn weergegeven in Figuur 5. Zoals uit Figuur 5 blijkt, is de coatingstructuur van de nieuw gemaakte bladeren dezelfde als die van de geschilde bladeren. . Het bovenste uiteinde van het kolomvormige kristal is dicht verdeeld en de oppervlaktelaagstructuur wordt gevormd door stapellagen. Er is een duidelijke TGO-laag tussen de oppervlaktelaag en de onderste laag, en de dikte is ongeveer 1 μm. Het bestaan van een TGO-laag tussen de hechtlaag en de keramische laag op het blad geeft aan dat er tijdens de afzetting van de keramische laag een bepaalde hoeveelheid O in de oven aanwezig is, wat de vorming van een TGO-laag bevordert, en de vacuümgraad van de oven voldoet mogelijk niet aan de standaardeisen, zodat de TGO-laag eerst wordt gevormd op de kruising van de onderste laag en de oppervlaktelaag. Tegelijkertijd zijn er ook keramische scheuren aan het oppervlak langs het kolomvormige kristal aan de punt van het blad.
Het proces van thermische barrièrecoating van het blad is als volgt: voorbehandeling van het bladoppervlak → afzettingsbasis voor ionenplating met meerdere bogen → vacuümdiffusie → ultrasone reiniging → oppervlaktelaag voor vacuümelektronenbundelafzetting. Tijdens de verwerking worden zowel de metaalverbindingslaag als de keramische laag onder vacuüm afgezet, zodat er geen TGO-laag van ongeveer 1 μm dik mag ontstaan tussen de verbindingslaag en de keramische laag. Het bestaande voorbereidingsproces voor de thermische barrièrecoating bevat niet de TGO-laag voor weefseldetectie, dus de impact van de TGO-laag die tijdens het voorbereidingsproces wordt gegenereerd op de prestaties en levensduur van de thermische barrièrecoating moet in detail worden aangetoond. Het is niet nodig om hier op details in te gaan. Als de vacuümgraad in de oven echter niet aan de eisen voldoet, kunnen de structuur en eigenschappen van het keramische oppervlak de levensduur van de thermische barrièrecoating beïnvloeden, wat wordt geverifieerd door experimenten in dit onderzoek.
1.3 Microhardheidstest
De hardheid van het keramische oppervlak van de twee soorten messen werd respectievelijk getest en de resultaten zijn weergegeven in Tabel 1. Hieruit blijkt dat er geen significant verschil is in de hardheidswaarde van het keramische oppervlak van het gecoate schilmes en dat van het verwijderde mes in dezelfde batch, wat aangeeft dat de hardheidswaarde van het mes in dezelfde batch voor en na gebruik niet significant verandert.
1.4 Verificatietest
De keramische laag van de thermische barrièrecoating wordt uitgevoerd onder het fysieke afzettingsproces met elektronenbundels. ZrO2 wordt in een vacuümoven verwarmd totdat het uit de staaf verdampt en vervolgens langzaam op het oppervlak van het blad wordt afgezet. De vorm en dikte van de groei van de keramische laag worden verzekerd door parameters zoals stroom, vacuümgraad en afzettingstijd in de vacuümoven te controleren. Na procesbeoordeling is gebleken dat er gegevens zijn over het vervangen van pistooldraad of mechanische pompolie in een vacuümoven, wat rechtstreeks de vacuümgraad van de vacuümoven zal beïnvloeden en vervolgens de groei van kolomvormige kristallen met keramische coating zal beïnvloeden. Om te verifiëren of de vacuümgraad een effect heeft op de morfologie en eigenschappen van de cilindrische kristallen van de keramische laag, worden de depositietests van verschillende keramische lagen uitgevoerd met behulp van de procesparameters in Tabel 2.
De bladbekleding werd onder twee omstandigheden met een elektronenmicroscoop waargenomen. De resultaten laten zien dat onder dezelfde spanning, stroom en afzettingstijd, wanneer de vacuümgraad in de oven 5×10−4 Torr is, de keramische kolomvormige kristallen er luchtig of tarweachtig uitzien, en dat er geen TGO-laag tussen de bindingslaag zit. en de keramische laag (Fig. 6a). Toen de vacuümgraad 5×10−3 Torr was, waren de kolomvormige kristallen van de keramische coating grof en vertoonden ze geen veerachtige of piekachtige vorm. De microstructuur van de wortel van de kolomvormige kristallen was relatief los vergeleken met die van het uiteinde, en de microstructuur was vergelijkbaar met die van de niet-geïnstalleerde bladeren, en er was een TGO-laag tussen de hechtlaag en de keramische laag (FIG. 6b) . Tegelijkertijd werd de hardheid van de keramische coating onder de twee vacuümgraden getest, en de resultaten toonden aan dat de hardheid van de keramische laag hoger was onder de vacuümgraad van 5×10−4 Torr, terwijl de hardheid van de keramische laag hoger was onder de twee vacuümgraden. afgezet onder de 5×10−3 Torr vacuümgraad was lager (Tabel 3).
2. Conclusie
1) De keramische laag van het defecte mes is gebroken vanaf de wortel van de oppervlaktelaag, en de structuur van de wortel van het kolomvormige kristal is los, en het middelste en bovenste deel van het kolomvormige kristal zijn geclusterd en in lagen verdeeld. De hardheidswaarde is lager dan die van de normale keramische laag en de structuur verschilt aanzienlijk van die van het normale, met keramiek beklede kolomvormige kristal.
2) De vacuümgraad heeft een directe invloed op de groeimorfologie van keramische coating. Wanneer de vacuümgraad aan de standaardeisen voldoet, groeien de kolomvormige kristallen als veren of oren. Wanneer de vacuümgraad lager is dan de standaardvereisten, is de wortel van het kolomvormige kristal los, zijn het middelste en bovenste deel van het kolomvormige kristal dicht en bevindt er zich een duidelijke TGO-laag tussen de hechtlaag en de keramische laag.
3) Het falen van de keramische laag van het defecte mes om aan de gebruiksvereisten te voldoen, wordt veroorzaakt door de abnormale toestand van de fysieke afzettingsapparatuur, waardoor de organisatie van de afgezette keramische laag niet voldoet aan de standaardvereisten.
