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西安交通大学晋小超团队：带涂层涡轮叶片循环使用的关键技术—再涂覆

已有 600 次阅读 2024-9-21 12:15 |个人分类:JAC|系统分类:科研笔记

原文出自 Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊

Li P, Jin X, Lu P, et al. Comparative study on microstructure evolution and failure mechanisms of ordinary and refurbished EB-PVD TBC under cyclic oxidation. Journal of Advanced Ceramics, 2023, 12(9): 1805-1820.

文章DOI：10.26599/JAC.2023.9220789

ResearchGate：https://www.researchgate.net/publication/372503710_Comparative_study_on_microstructure_evolution_and_failure_mechanisms_of_ordinary_and_refurbished_EB-PVD_TBC_under_cyclic_oxidation

1、导读

表面沉积热障涂层可显著提升航空发动机高温合金涡轮叶片的工作温度，提高发动机效率和推重比，延长服役寿命。然而，由于叶片形状复杂、沉积条件苛刻等因素均易导致热障涂层制备不合格。针对涂层制备不合格的带涂层单晶涡轮叶片采用更换新件的方法势必造成涡轮叶片制造成本过高、周期长等问题。对制备不合格的涂层进行去除再涂覆，可显著降低带涂层单晶涡轮叶片的制造和维修成本，技术附加值极大，是热障涂层工程化应用的关键技术。然而，再涂覆过程是否会对单晶基体造成二次损伤，再涂覆试样是否具有与原始试样相近的优异性能，目前尚不明晰，限制了热障涂层去除再涂覆技术的工程化应用。

2、研究内容及方法

该研究主要聚焦于再热障涂层涂覆过程对单晶-涂层试样的影响以及再涂覆单晶-涂层试样的循环氧化行为与失效机制。具体而言，首先对比分析了原始单晶(DD6)与去除涂层的单晶基体的微观组织及元素浓度，明确涂层去除工艺对单晶-涂层试样影响因素。其次，开展1100℃下水淬-循环氧化试验，对比研究了原始试样与再涂覆试样微观组织演化规律、元素浓度演化规律、失效形式等方面的差异。基于上述差异，阐明了再涂覆过程对单晶-涂层系统的影响机制，明确了再涂覆单晶-涂层系统的微观组织演化规律、元素浓度演化规律及其失效形式。为再涂覆技术的工程化应用奠定了理论基础。

研究发现，将原始试样的涂层去除后，单晶基底表面会残留有一定量的富Cr相，这是由于所配置的化学腐蚀溶液对于Al、Ni等元素的腐蚀速率较快，而对Cr、W等元素的腐蚀速率较慢。因此，去除涂层的单晶基体表面残余了一定量的富Cr相，如图1所示。将原始试样的涂层去除后，单晶基底表面会残留有一定量的富含Cr元素的IDZ层，如图2所示。此外，残留的IDZ层在预处理过程中阻碍了BC层与单晶基底之间的元素互扩散，导致再涂覆试样的BC层中β相的尺寸更大，晶体形貌更趋向于等轴晶。

随后，开展了再涂覆单晶-涂层试样与原始单晶-涂层试样的水淬-循环氧化试验。结果表明，再涂覆单晶-涂层试样中TGO的生长机制与原始单晶-涂层试样存在差异。与原始试样相比，再涂覆试样的混合氧化物更容易形成，且厚度更厚，如图3所示。这是由于再涂覆试样中较厚的混合氧化物层降低了Al₂O₃表层的氧分压，导致再涂覆试样在循环氧化后期Al₂O₃层的生长速率迅速下降。

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图1 原始试样与再涂覆试样微观组织图：(a)原始试样；(b)再涂覆试样；(c)和(d)分别为(a)和(b)局部放大图

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图2 单晶-涂层试样去除再涂覆过程微观组织演化示意图

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图3 1100℃下水淬-循环氧化过程中两类试样TGO厚度演化图：(a)TGO厚度随时间演化曲线；(b)抛物线拟合TGO厚度与氧化时间；(c)和(d)分别为原始试样与再涂覆试样的双对数拟合函数

最后，在相同水淬-循环氧化工况下，原始试样与再涂覆试样的剥落面积相似，再涂覆试样的剥落面积略微增大，如图4所示。然而，再涂覆试样中裂纹更容易出现在混合氧化物层中，而原始试样裂纹更容易出现在TC层，如图5所示。

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图4 1100 ℃水淬-循环氧化125次后试样宏微观形貌及其元素分布图：(a)原始试样；(b)再涂覆试样；(c)和(d)分别为(a)和(b)中标注线段的元素分布

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图5 原始试样与再涂覆试样循环氧化行为微观组织演化示意图

3、总结

该研究通过对比分析原始试样与再涂覆镍基单晶高温合金试样的微观组织、元素浓度分布、循环氧化行为、失效机制等方面的差异，阐明了再涂覆过程对单晶-涂层系统的影响机制。该研究推动了再涂覆技术的工程化应用，为再涂覆技术的工程化应力奠定了理论基础。

4、作者及研究团队简介

第一作者：李盼，西北工业大学博士后，2024年博士毕业于西安交通大学航天航空学院，主要从事航空发动机结构强度与防护技术研究。主持国家自然基金等课题多项，已在J. Adv. Ceram.、Corros. Sci.等高水平学术期刊发表论文10余篇，申报/授权专利5项。

通讯作者：晋小超，西安交通大学副教授，博士生导师，西安市极端环境服役性能与防护技术重点实验室副主任，担任《材料研究与应用》、《International Journal of Structural Integrity》等多个期刊青年编委。主要从事先进材料/结构损伤机制与评价模型、极端环境试验考核方法、基于深度学习的损伤/故障检测方法等研究。已在J. Adv. Ceram.、Carbon、Compos. Part B、Corros. Sci.等高水平学术期刊发表论文70余篇，ESI高被引论文1篇，SCI引用次数1500余次，申请/授权专利10余项。主持国家两机重大专项专题、国家自然科学基金、中国航发稳定支持课题等项目。获得陕西省优秀博士学位论文、陕西省科技进步二等奖等奖励。

《先进陶瓷（英文）》（Journal of Advanced Ceramics）期刊简介

《先进陶瓷（英文）》于2012年创刊，清华大学主办，清华大学出版社出版，由清华大学材料学院新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室提供学术支持，主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被SCIE、Ei Compendex、Scopus、DOAJ、CSCD等数据库收录。现为月刊，年发文量近200篇，2024年6月发布的影响因子为18.6，位列Web of Science核心合集中“材料科学，陶瓷”学科31种同类期刊第1名。2019年入选“中国科技期刊卓越行动计划”梯队期刊项目。