采用化學(xué)氣相沉積和電子束物理氣相沉積工藝在鎳基單晶高溫合金基體上制備了(Ni, Pt)Al/YSZ(Yttira stabilized zirconia, YSZ)熱障涂層(Thermal barrier coatings, TBCs)，研究了TBCs 涂層在1100℃的抗熱沖擊性能。結(jié)果表明，陶瓷涂層的剝落位置主要出現(xiàn)在熱生長氧化物(Thermally grown oxide, TGO)層/ 粘結(jié)層的界面或者TGO 層內(nèi)部。試驗過程中，粘結(jié)層表面晶粒晶界“背脊”形貌共存、TGO 層下方孔洞形成、陶瓷層內(nèi)縱向裂紋延伸和TGO 層內(nèi)殘余應(yīng)力釋放均是導(dǎo)致TBCs 涂層過早剝落失效的主要原因。

　　具有優(yōu)異高溫力學(xué)性能的鎳基單晶高溫合金是現(xiàn)今工業(yè)渦輪發(fā)動機(jī)的常用合金，但是為了彌補(bǔ)其抗高溫腐蝕性能的不足和進(jìn)一步提高渦輪進(jìn)口運行溫度，通常在鎳基單晶合金表面制備一層包覆型或鋁化物粘結(jié)涂層組成熱障涂層系統(tǒng)。熱障涂層(thermal barrier coating，TBCs)是利用陶瓷的隔熱和抗腐蝕的特性來保護(hù)基體合金材料，同時提高發(fā)動機(jī)渦輪進(jìn)口溫度，這樣不僅可以提高燃料的燃燒效率，而且可以延長發(fā)動機(jī)機(jī)的服役壽命，在能源轉(zhuǎn)化方面具有重要的應(yīng)用價值。而作為熱障涂層的粘結(jié)層，目前商業(yè)應(yīng)用中多為包覆型的MCrAIY(M=Ni、Co)涂層和擴(kuò)散型的鉑改性鋁化物((Ni, Pt)Al)涂層。由于鉑改性鋁化物涂層的粘附性能優(yōu)異和抗氧化性能突出，在工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常作為熱障涂層體系的粘結(jié)層或者單獨使用[3]。其中鉑改性鋁化物涂層中的鉑元素能夠提高鋁化物粘結(jié)層的粘結(jié)性能、抗氧化性能、抗熱腐蝕性能和高溫循環(huán)壽命，特別是顯著提高渦輪葉片的壽命，盡管鉑價格昂貴，仍得到了廣泛應(yīng)用。

　　據(jù)早期文獻(xiàn)報道，采用化學(xué)氣相沉積(CVD)技術(shù)制備的熱障涂層體系(Ni, Pt)Al 粘結(jié)層，其表面的晶粒晶界處通常擁有尺寸不規(guī)則的“背脊”形貌，該形貌是導(dǎo)致TBCs 在熱沖擊過程中過早剝落失效的起始點。隨著熱沖擊次數(shù)的增加，貫穿整個陶瓷層的縱向裂紋會在熱生長氧化物(thermally grown oxide，TGO)層處沿著晶界的“背脊”凸起形貌延伸、擴(kuò)展。空氣中的氧元素會沿著TGO 層的裂紋間隙發(fā)生內(nèi)擴(kuò)散行為，引起粘結(jié)層晶界的過早擇優(yōu)氧化。同時，晶界處的氧化物進(jìn)一步產(chǎn)生微觀裂紋，并伴隨著粘結(jié)層的塑性變形引起裂紋尖端變寬以及在晶界“背脊”形貌下方生成微觀孔洞，極大地減弱了陶瓷層/TGO 層和TGO 層/ 粘結(jié)層的界面結(jié)合性能，加速了陶瓷層的過早剝落失效。

　　雖然目前已有相關(guān)文獻(xiàn)資料對具有晶界“背脊”形貌的(Ni, Pt)Al/YSZ 熱障涂層體系的熱循環(huán)壽命研究進(jìn)行了報道，但是關(guān)于(Ni, Pt)Al/YSZ 熱障涂層體系的熱沖擊行為和失效機(jī)理方面的研究甚少。所以，本文的主要研究工作是采用化學(xué)氣相沉積和電子束物理氣相沉積技術(shù)在鎳基單晶高溫合金上分別制備鉑改性鋁化物涂層和陶瓷熱障涂層，開展粘結(jié)層表面晶界“背脊”形貌對熱障涂層體系熱沖擊壽命的影響行為和可能的TBCs 剝落失效機(jī)理研究。

　　1、試驗材料和方法

　　1.1、試驗材料和涂層的制備方法

　　實驗所用基體材料為鎳基單晶高溫合金，試樣尺寸為30mm×10mm×1.5mm 的長方形試片。首先在經(jīng)吹砂、清洗后的基體合金表面電鍍一層鉑，并進(jìn)行真空熱擴(kuò)散處理；其次，采用化學(xué)氣相沉積技術(shù)制備出鉑改性的鋁化物涂層，用于充當(dāng)熱障涂層體系的粘結(jié)層；最后，先將粘結(jié)層表面進(jìn)行濕吹砂處理，以消除粘結(jié)層表面晶粒晶界處的“背脊”形貌，再采用電子束物理氣相沉積技術(shù)制備熱障涂層陶瓷層(一般為7%氧化釔部分穩(wěn)定化的氧化鋯，YSZ)。

　　1.2、性能表征

　　熱障涂層的抗熱沖擊性能測試采用爐式加熱法進(jìn)行，即：將涂覆熱障涂層的(Ni, Pt)Al/YSZ試樣置于耐火磚卡具內(nèi)，設(shè)定爐子加熱到試樣的溫度為1100℃，加熱保溫時間為5min；待試樣加熱完畢后，爐子加熱樣品架自動移開加熱區(qū)。此時，樣品采用風(fēng)扇流動空氣進(jìn)行快速吹氣冷卻，冷卻時間為5min。加熱- 冷卻一個周期記為一次熱沖擊次數(shù)。如此反復(fù)進(jìn)行，直至樣品表面出現(xiàn)明顯的涂層剝落現(xiàn)象，此時停止熱沖擊試驗，停止時的熱沖擊次數(shù)即為熱障涂層樣品的熱沖擊壽命。利用FEI-Quanta 600 掃描電子顯微鏡進(jìn)行涂層的表面/ 橫截面微觀組織觀察和分析；用INCAx-sight 6247 能譜分析儀測試涂層的元素含量和元素分布；涂層的相結(jié)構(gòu)則采用Bruker D8AdvanceX 射線衍射儀進(jìn)行分析；利用HR800 拉曼- 光激發(fā)熒光譜技術(shù)測量熱生長氧化物層內(nèi)的殘余應(yīng)力。

　　2、結(jié)論

　　(1)(Ni, Pt)Al 涂層晶粒主要沿著高度織構(gòu)的[110]晶向生長，且呈現(xiàn)均勻的多邊形網(wǎng)格狀排布，僅在晶粒晶界部位存在“背脊”形貌；

　　(2)消除晶界“背脊”、抑制孔洞形成、提高TGO 層/ 粘結(jié)層界面韌性、降低粘結(jié)層內(nèi)β→γ'相變速率、均質(zhì)TGO 層生長行為和減緩TGO 層殘余應(yīng)力釋放速率是延長(Ni, Pt)Al/YSZ 熱障涂層熱沖擊壽命的重要途徑之一；

　　(3)涂層內(nèi)殘余應(yīng)力和壓應(yīng)力釋放速率隨熱沖擊時間的延長而增大，當(dāng)應(yīng)力水平達(dá)到一定程度時易于引起TGO 層內(nèi)微觀裂紋的萌生和滋長，微觀裂紋的橋聯(lián)和大面積擴(kuò)展將導(dǎo)致陶瓷涂層剝落失效。