高温氧化物陶瓷涂层的热震实验及失效分析

在热震条件下，涂层受力状态非常复杂。一般来说，在加热阶段，涂层中陶瓷受拉应力，金属受压应力，拉应力导致陶瓷内产生裂纹或开裂；冷却阶段，涂层中陶瓷受压应力，金属受拉应力，金属内也可能产生裂纹或开裂；反复氧化物加热和冷却，循环热应力导致涂层内裂纹的产生和扩展，最终导致涂层的破碎或剥离。高温陶瓷涂层本身具有的脆性、陶瓷涂层与金属基材之间的杨氏模量和热膨胀系数的差异都会导致热障涂层系统产生很大的残余应力，这使得热震过程中易发生涂层的剥落。另外，在热震过程中，过渡层上生成的脆性氧化物保护膜很容易被破坏，氧通过裂纹向内传输，使靠近裂纹的过渡层不断氧化，生成更多的不稳定的氧化物，这也是涂层失效的一个重要原因。有文献指出，热震时，基材与过渡层之间、过渡层与表面涂层之间均会生成热生长氧化物（TGO），有些原始裂纹就是从这两个区域里产生的。尽管最终涂层不一定从TGO 那里产生剥落，但是基材和过渡层交界处的TGO对涂层的剥落具有很大的影响，这是因为TGO的脆性比表面涂层高、热膨胀系数比表面涂层低，会增加基材与过渡层之间的物理性能的不匹配程度。

将用镍铬铝过渡层粉和AT13粉及等离子工艺制备的热障涂层（过渡层厚度约 0.04～0.10mm，表面涂层厚度约 0.15～0.35mm）试样各一批放入900℃的箱式电阻炉，保温 15 分钟后淬入清水中冷却至室温，待试样干燥，循环进行上述热震实验操作。每热震 10 次之后保留试样各一块，利用数控电火花切割机床从这两组热震试样上分别切割下 10mm×10mm×5mm 大小的试样各一块，镶嵌后进行打磨、抛光，制备好的试样用于观测热震试样涂层的截面变化状况。剩余的热震试样可直接用于表面微观形貌的检测。

结果发现：涂层在热震实验第40次后，出现了四周、边缘处的剥落，逐渐导致失效。

热障涂层热氧化、热震失效的原因主要有：一是喷涂的过程中过渡层和表面涂层里残存的气孔是裂纹的发源地；二是过渡层、表面涂层与金属基材之间的杨氏模量和热膨胀系数的差异导致热障涂层系统产生很大的残余应力，加快了涂层系统的剥落；三是表面涂层制备过程中的急热急冷使得喷涂粉料发生了相变，这种相变会增加涂层的内应力和空隙率，加剧裂纹的扩展；四是基材、过渡层、表面涂层彼此的界面处生成的 TGO 会增加基材、过渡层、表面涂层彼此之间物理性能的不匹配程度和应力值，导致涂层的破碎或剥离。另外，在热震的过程中，涂层和金属反复地分别受到拉应力与压应力的作用，循环热应力导致涂层内裂纹的产生和扩展，由于等离子喷涂的涂层本来就属于机械结合，所以在热应力的作用下很容易剥落失效。