PS-PVD喷涂的Yb?Si?O?环境屏障涂层的热循环失效机制及损伤量化研究

《Surface and Coatings Technology》：Thermal cycling failure mechanism and damage quantification of PS-PVD sprayed Yb 2Si 2O 7 environmental barrier coating

Yb?Si?O?环境涂层在干空气热循环下的失效机制及损伤量化模型研究，揭示TGO层增厚与界面剥离的关联性，建立基于界面结合强度和热弹性理论的损伤本构模型并验证。

　　

马荣|杜廷晨|范雪玲|高小龙|钱家琛|李伟海

西安交通大学航空航天工程学院极端环境与防护技术重点实验室，中国西安710049

摘要

本文研究了通过等离子喷涂-物理气相沉积法制备的Yb₂Si₂O₇环境屏障涂层（EBCs）在1350°C和1250°C的干燥空气中经过1000次循环后的热循环行为和失效机制。基于界面损伤的损伤量化方法被开发出来用于表征EBCs的退化情况。研究结果表明，热循环在顶层（TC）和粘结层（BC）以及界面区域引发了孔隙的形成。界面处热生长氧化物（TGO）层逐渐增厚，导致垂直裂纹的产生，随后在TGO/BC界面处发生剥离。热循环引起的损伤明显比等温氧化引起的损伤更为严重，仅在800次循环后就观察到了局部剥离现象。界面剥离是热循环损伤的主要模式。频繁的温度波动导致了氧化不稳定，表现为TGO层形成明显的颜色对比。此外，基于关键剥落抗性的退化和热弹性理论，建立了一个损伤本构模型。通过预测热循环后的损伤演变和相应的室温压缩试验中的剥离失效，验证了损伤量化理论的准确性。损伤演变遵循循环次数的幂律函数，为EBCs损伤的定量评估提供了有价值的参考。

引言

提高涡轮机入口温度已成为提高飞机发动机热效率和减少排放的有效策略[1]，[2]。值得注意的是，SiC/SiC陶瓷基复合材料（CMCs）因其高工作温度和优异的高温机械性能，已成为先进航空航天发动机中最有前景的热结构材料之一[3]，[4]，[5]，[6]。然而，陶瓷基复合材料在蒸汽、氧气和熔融矿渣等恶劣环境中容易快速腐蚀，这会显著缩短其使用寿命[7]，[8]，[9]，[10]。因此，环境屏障涂层（EBCs）对于确保陶瓷基复合材料在服役期间的完整性和功能性至关重要[11]，[12]，[13]。目前，已经开发出相对完整的EBCs系统，其中基于稀土硅酸盐的涂层因其高热稳定性和良好的热膨胀系数（CTE）匹配性而成为下一代EBCs中最受欢迎的成分之一[14]，[15]，[16]。

在CMCs/EBCs系统的设计过程中，一个主要问题是氧化和热负荷引起的涂层剥离[17]，[18]。值得注意的是，在热循环过程中，热负荷和氧化之间存在相互作用，循环氧化抗性被认为是EBCs的关键性能指标。因此，研究多组分EBCs的热循环损伤机制具有重要意义。目前，许多学者已经探讨了不同稀土硅酸盐材料系统的热循环失效机制。Richards等人[19]，[20]研究了涂层在蒸汽循环下的失效机制，并发现裂纹和边缘剥离导致了涂层剥落。他们进一步使用有限元分析分析了裂纹轨迹。同时，Zhang等人[21]也得出了类似的结论。然而，上述研究缺乏在干燥空气环境中的热循环比较。在空气循环氧化领域，Stack和Bakan等人[22]，[23]专注于EBCs的循环氧化动力学，但需要进一步分析热生长氧化物（TGO）生长与热循环失效机制之间的相关性。值得注意的是，许多学者对热循环下TGO的生长行为及其引起的应力演变进行了广泛研究。具体来说，Rahimi等人[24]通过实验和数值模拟相结合的方法，揭示了粘结层结构对TGO生长速率和涂层寿命的显著影响。在此基础上，Torkashvand等人[25]进一步将X射线衍射（XRD）应力测量与基于实际TGO形态的有限元分析相结合，定量阐明了氧化过程中TGO生长应力的演变规律及其在界面裂纹产生中的主导作用。Wang等人[26]也阐明了TGO生长应力在高温失效中的主导效应。此外，一些学者还结合了EBCs中TGO生长的热应力分析，清楚地展示了TGO的非均匀生长如何动态影响界面应力分布[13]，[27]，[28]，[29]。他们指出，由TGO形态引起的应力集中是裂纹产生的主要驱动力，进一步建立了TGO应力与热循环之间的相关性。因此，应关注TGO形态的演变。此外，Chen等人[30]比较了在干燥空气和蒸汽循环下空气等离子喷涂（APS）和低压等离子喷涂（LPPS）Yb₂Si₂O₇（YbDS）/Si EBCs的微观结构演变，发现TGO中产生了裂纹。APS喷涂涂层的剥落失效发生在顶层（TC）和TGO的界面处，而LPPS喷涂涂层的粘结强度更高。Zou等人[31]研究了Er₂SiO₅/LaMgAl₁₁O₁₉ EBCs的失效行为，发现涂层-基底界面处发生了剥离和剥落。此外，Zhong等人[32]对通过等离子喷涂-物理气相沉积（PS-PVD）制备的多层EBCs进行了水淬热循环测试，确定了两种导致涂层剥落的失效模式：顶层裂纹和界面剥离裂纹。这些发现表明，不同材料和加工方法下的环境屏障涂层失效模式不同，产生剥离失效的界面也各不相同。近年来，PS-PVD技术已成为制备高密度EBCs的潜在工艺。Zhang等人[33]，[34]，[35]，[36]研究了相关工艺参数，并分析了PS-PVD YbDS环境屏障涂层的水氧腐蚀机制。有必要继续探索PS-PVD YbDS EBCs的热循环氧化失效机制。

此外，EBCs在服役过程中会经历频繁的加热和冷却过程，这可能导致热疲劳损伤和氧化损伤，表现为内部微裂纹和孔隙，从而降低机械性能。在特定载荷作用后有效量化涂层损伤是建立损伤模型的最基本输入条件之一，直接影响涂层寿命预测的准确性。目前，缺乏EBCs循环氧化损伤的定量和评估方法，这一领域的研究仍然不足。值得注意的是，先前的研究表明，热屏障涂层（TBCs）的损伤表现出一定的非线性累积特性，这与传统金属材料显著不同，使得经典的Miner线性损伤累积理论[37]不适用。Jonnalagadda等人[38]提出了一个基于能量释放率的简化模型来预测热疲劳寿命。Mahfouz等人[39]研究了热循环过程中气泡的演变，并揭示了循环次数、TGO厚度和气泡驱动力之间的关系。研究人员还提出了与热应力相关的渐进损伤模型来反映退化过程。然而，简化机械模型或有限元模型的研究结果未能充分表示整体涂层损伤，无法验证过程中的损伤演变，从而限制了它们的适用性。因此，Courcier等人[40]建立了一个基于界面粘结强度的损伤模型，并通过室温TBC剥落测试量化了损伤。这种方法为量化EBCs的损伤提供了有价值的参考。通过量化循环氧化损伤，可以评估EBCs在高温和复杂环境中的使用寿命和性能，从而为涂层设计和优化提供科学依据。

总之，研究干燥空气环境中的热循环机制和损伤量化旨在了解TGO的内在生长行为以及涂层系统的纯热机械失效机制。这为进一步分析水蒸气环境中的耦合损伤机制和有效分离水蒸气引入的损伤参数提供了不可或缺的基准。只有通过澄清干燥空气中的行为，才能定量识别水蒸气引起的额外效应，从而更深入地揭示实际服役环境中涂层的退化机制。这种损伤参数分离方法在文献中得到了广泛认可[41]，[42]。此外，可以尝试适用于EBCs的界面损伤评估框架。这为建立考虑多场耦合效应的损伤和寿命模型提供了关键输入。这是一个从简单到复杂、从基础到应用的系统研究路径。应当注意的是，本研究中选择的两个温度（1350°C和1250°C）是基于对稀土硅酸盐环境屏障涂层使用温度的充分考虑。如参考文献[9]所列，1350°C被广泛认为是该系统的典型工作条件。此外，为了比较不同温度下的循环氧化行为，并与我们之前在1350°C和1250°C进行的等温氧化工作[43]进行对比分析，选择了1250°C以保持温度一致性。

本文重点研究了YbDS环境屏障涂层。在1250°C和1350°C的干燥空气中对PS-PVD喷涂的YbDS EBCs进行了热循环测试。研究了微观结构的演变规律和失效机制，并分析了循环氧化的不稳定行为。在Courcier等人[40]提出的界面粘结强度退化框架的基础上，本研究通过热弹性本构分析将温度波动引起的热应力纳入计算，并结合了数字图像相关（DIC）表面应变测量技术。基于界面剥落抗性的损伤本构模型被建立起来。随后，使用压缩剥落测试量化了EBCs的损伤。这也是首次尝试量化PS-PVD YbDS EBCs的损伤，旨在开发适用于EBC的损伤评估方法。本研究的结果为热循环条件下EBCs的失效机制提供了宝贵的见解，并提出了一种稳健的损伤量化方法，这对于高性能EBCs在先进燃气轮机应用中的设计和优化至关重要。

部分摘录

涂层制备和热处理

使用从深圳大川陶瓷技术有限公司购买的25×4.5×4 mm³块状无压烧结SiC材料作为基底，并在其所有边缘进行研磨以产生C0.2倒角。然后将SiC基底固定在夹具槽中，以便进行喷砂处理。该处理使用120#氧化铝颗粒进行，压力为0.4 MPa，距离为150 mm，以增加基底的表面粗糙度。

微观结构演变

图4展示了退火后环境屏障涂层的微观结构和EDS表面扫描结果。涂层包裹在顶层和侧边，整体上没有明显的裂纹，仅有少量微孔。涂层与基底系统之间的界面区域表现出良好的粘附性，没有明显的剥离现象。各层内的元素分布存在显著差异。

结论

本文探讨了YbDS环境屏障涂层在1250°C和1350°C热循环下的失效机制，并基于关键剥落抗性开发了一种EBCs的界面损伤评估方法。具体结论如下：

(1)

循环氧化导致TC层、TGO层和界面区域的微裂纹和孔隙增加。TGO层出现了垂直穿透裂纹，TGO/BC界面区域发生了剥离。

作者贡献声明

马荣：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法论，调查，形式分析，概念化。杜廷晨：撰写 – 审稿与编辑，概念化。范雪玲：监督，资源，项目管理。高小龙：验证，调查。钱家琛：可视化，数据管理。李伟海：资源。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了国家科技重大项目（J2019-IV-0003-0070）和广州市科技项目（2023A04J0044）的支持。