用于设计可持续抗侵蚀涂层的高温工具——NanoTest

Micro Materials独创的纳米冲击测试技术旨在产生空间分布的纳米或微米级冲击以模拟固体颗粒侵蚀该技术特别适用于研究热障涂层的损伤机制并在损伤机制和磨损速率方面与侵蚀测试表现出极佳的相关性。这项“随机冲击测试”的专利已获授权本文为使用该技术获得的关于极端高温抗侵蚀涂层的突破性研究成果。该项成果曾被BBC官方报道。关键词热障涂层侵蚀微冲击TBC高温涂层纳米压痕1、引言克兰菲尔德大学正致力于解决航空航天发动机制造商和运营商在实现净零排放过程中面临的关键挑战之一目标是降低产品全生命周期成本同时减少环境影响。本案例研究聚焦于燃气轮机高温区应用的隔热涂层TBC。在此环境下涡轮发动机内部环境极为严苛旋转部件以12,000转/分运行温度超过1200 °C每片叶片承受的悬载荷相当于一辆双层巴士的重量。运行中TBC会因吸入空气中的粉尘而受损粉尘侵蚀涂层并缩短其使用寿命。热障涂层由低导热性陶瓷面层和金属粘结层组成后者为底层的镍基超合金基材提供氧化保护。行业标准的陶瓷面层厚度约200 µm7wt.% 氧化钇稳定氧化锆7YSZ使叶片表面能够承受比叶片本身高出 170 ℃ 的温度有时甚至超过基体合金的熔点。此类涂层通过电子束物理气相沉积法沉积。该工艺条件形成了如图1a)和b)所示的应变顺应性柱状微观结构。然而实现可持续的净零排放目标需要新型多功能热障涂层TBC材料及微观结构。此类材料将支持更高温度下的燃烧从而提高发动机效率并减少排放。因此需要合适的工具来加速新型TBC的上市开发进程。2、实验方法与设置2.1 传统侵蚀试验TBC 系统在克兰菲尔德的侵蚀试验台上进行筛选该试验台由一个空气喷枪组成可向 TBC 涂层基材喷射最高达 200m/s 的颗粒该测试能逼真地模拟发动机中观察到的损伤。图1. TBC的扫描电子显微镜SEM图像a) 顶部视图b) 横截面视图c) 微冲击工具示意图2.2 微冲击试验NanoTest冲击测试工具图1 c能够快速模拟侵蚀过程并可进行精细调整以模拟实际部件及侵蚀测试中观察到的损伤。该工具还提供物理性能数据有助于设计下一代TBC系统并为建模工作提供支持。本试验所使用的NanoTest Vantage平台配置如下纳米压痕微压痕纳米冲击微冲击850 ℃恒温台研究采用经校准的球锥形金刚石探针端面半径25 μm锥角90°以 90° 角垂直于表面从距初始涂层表面 50 µm 的位置加速冲击。试验分为两组1重复微冲击试验在固定位置施加多次冲击施加载荷范围为5003000 mN用以研究单点累积损伤行为。2随机微冲击试验在500 mN载荷下于涂层表面不同尺寸区域0.011 mm²内按预设冲击次数50500次进行统计分布的随机位置冲击以模拟侵蚀颗粒随机撞击涂层的统计特征。2.3 表征方法采用扫描电子显微镜SEM观察冲击后表面损伤形貌。冲击试验的损伤程度以冲击体积定量表征侵蚀试验则以每千克侵蚀剂导致的涂层损失量g/kg为指标。3、试验结果初步试验侧重于探索冲击试验的各项参数以尽可能准确地模拟侵蚀试验中观察到的损伤特征。这些参数包括压头几何形状、冲击载荷、冲击角度以及随机冲击的密度。图2. 试验用TBC表面损伤的扫描电子显微镜SEM图像a) 克兰菲尔德侵蚀试验b) 随机冲击试验。图2a) 展示了侵蚀试验中观察到的表面损伤包括用黄色标出的柱状压实区域以及来自断裂柱体的数量可观的TBC碎屑在表面堆积的情况。图2 b) 展示了同一涂层系统在随机冲击下的损伤情况其损伤特征与上述相似。在此观察到更多致密化区域但其密度高于侵蚀试验中的情况。图3. a) 侵蚀试验损伤的横截面图像b) 随机冲击试验损伤的FIB-SEM图像显示了跨柱裂纹。图3 展示了冲击试验和侵蚀试验方法中受损区域的横截面图像进一步强化了这种对比。 受冲击区域图3b显示多个柱体上出现了类似的裂纹但表面区域的柱体压实程度更高且存在一些在侵蚀试验中不太明显的亚表面柱体变形。这表明随机微冲击试验可以产生与侵蚀相同的损伤机制并且进一步优化冲击参数可以调整压实与开裂的比例。TBC变体相对侵蚀速率侵蚀排名随机冲击排名TBC1111TBC26.324TBC36.932TBC420.055TBC58.843在最终的排名实验中对比参考TBC系统与新型TBC系统具有不同的材料和微观结构在侵蚀试验和冲击试验中的表现。侵蚀性能的排名依据为每千克侵蚀剂导致的涂层损失量g/kg而冲击测试系统的排名则依据冲击体积。除TBC变体2外所有受测TBC系统均被正确排序。该变体表现出的异常但有趣的行为值得进一步研究并将为开发更坚韧的新型TBC材料和微观结构提供研究依据。4、工程意义与应用前景微冲击试验工具在工程应用中具有以下价值•循环冲击试验产生的损伤与侵蚀性热障涂层TBC样品中的损伤相似。•相同的“随机冲击”试验可用于测试每种热障涂层从而消除侵蚀试验的随机性以及实际使用中侵蚀现象的不确定性。• 侵蚀试验耗时、昂贵且工作量大微冲击试验可用于新涂层系统的快速筛选加速研究过程。• 生成的数据可用于支持弹道冲击的有限元分析。此类数据在文献中往往难以寻觅。•本试验可通过调整冲击载荷、测试探针几何形状、冲击角度或测试温度来适应不同需求从而在相关实际使用条件下全面表征抗侵蚀性能。