热障涂层失效机理与寿命预测研究方法

第4期2015年12月圣言乞论按DONGFANGTURBINENO4DEC2015DOI1013808CNKIISSN16749987201504001艾松，刘维兵，东方汽轮机有限公司，赵仕志杨勇四川德阳，618000摘要文章根据国内外文献，对热障涂层失效型式、失效机理研究方法、寿命预测；B法进行了系统的研究热障涂层失效机理研究方法主要有4种微观结构研究方法、断裂力学研究方法、有限元研究方法以及热障涂层试验方法。这4种方法互有裨益，结合使用，更有利YG_高研究分析的准确度。热障涂层寿命预测模型中较为成功运用并具有工程应用经验的主要有铝损耗模型、NASA模型、BUSSO模型和BRODIN模型等。关键词热障涂层，失效机理，研究5G法，寿命预测模型中图分类号TB30文献标识码A文章编号16749987201504000105RESEARCHMETHODSOFFAILUREMECHANISMANDLIFEPREDICTIONOFTHERMALBARRIERCOATINGSAISONG，LIUWEIBING，ZHAOSHIZHI，YANGYONGDONGFANGTURBINECO，LTD，DEYANGSICHUAN，618000ABSTRACTTHISPAPERTBEUSESONRESEARCHMETHODSOFFAILUREMECHANISMANDLIFEPREDICTIONOFTHERMALBARRIERCOATINGSTBCSSYSTEMATICALLYGENERALLYTHEREAREFOURMAINRESEARCHMETHODSINCLUDINGMICROSTRUCTURERESEARCHMETHOD，FRACTUREMECHANICSMETHOD，FINITEELEMENTMETHOD，SAMPLEANDPARTTESTINGMETHODCOMBINATIONOFTHOSEFOURMETHODSBENEFITSACCURACYOFANALYSISWORKOFTBCSLIFEPREDICTIONMODELSBYNASA，BUSSO，BRODIN，JINNESTRANDANDSJISTR6M，ETA1HAVEHIGHACCURACYINENGINEERINGPRACTICESKEYWORDSTHERMALBARRIERCOATINGS，FAILUREMECHANISM，RESEARCHMETHODS，LIFEPREDICTIONMODEL所谓热障涂层通常是指通过特殊制备工艺喷涂或沉积在耐高温金属表面具有良好隔热效果的陶瓷涂层。它能使基体材料免受高温氧化和腐蚀，并能降低基体的工作温度热障涂层的基本设计思想是利用陶瓷的高耐热性、抗腐蚀性和低导热性，实现对基体合金材料的保护陶瓷层和金属基层之间热膨胀不匹配、工作环境对涂层顶层的侵害、粘结层氧化腐蚀是热障涂层失效的主要形式。国外对于热障涂层失效机作者简介艾松1973一，男，高级工程师，1996年毕业于重庆大学，现主要从事重型燃气轮机关键技术研发与工程应用工作。1第4期2015年12月圣右汔粉搂DONGFANGTURBINENO4DEC2015表面裂纹二二穿透厚度裂纹卫翌三旺散裂缬二网状渠形裂纹浅表裂纹分层分段裂纹压曲裂纹图2普遍观察到的薄膜结构失效型式热障涂层失效是燃气轮机高温部件失效的主要形式热障涂层已经成为保障高温部件安全运行的关键一环一旦热障涂层失效将影响整台设备甚至整个系统的安全运行目前国内外热障涂层失效机理研究方法主要包括微观结构研究方法、断裂力学研究方法、有限元研究方法以及热障涂层试验方法31微观结构研究方法微观结构MICROSTRUCTURE或微观机械MICTOMECHANICA1研究方法主要采用光学显微镜或扫描电子显微镜SCANNINGELECTRONMICROSCOPE简称SEM对经过热机械循环载荷试验的TBC样片进行观察分析并结合有限元分析、理论推导研究分析热障涂层的失效，进行寿命评估。通过SEM或光学观察研究可以有效地了解和掌握热障涂层各组成部分在不同阶段的变化情况，从金相组织方面可以直观知道由于TGO生长对于热障涂层性能和结构的影响从微观结构上为热障涂层理论研究和数值模拟提供了客观现象的支持。这种方法研究点主要包括1TC层、BC层、基底间交界面不同形状的界面形貌微观结构建立结构模型粗糙度形状；2BC层氧化以及TGO生长和位移不稳定性对裂纹扩展、TBC寿命的影响5。其中BC层氧化、TGO生长厚度的变化是最重要的影响因素文献61研究表明大多数的研究者都认为TGO生长变厚显著损耗了BC层的A1增加了发生裂纹和涂层分层分离的趋势TGO临界厚度定义为TBC涂层完全从金属基底脱离时的厚度但迄今为止没有对TGO临界厚度具体数量相一致的看法BUSSO的研究认为临界厚度为10M，而ECHSLER研究认为失效前的TGO厚度为12M。GOLAMMNEWAZ文献研究基于其试件SEM研究和FICK定律，TGO破坏临界厚度为105M。32断裂力学研究方法断裂力学方法广泛地应用于热障涂层失效、裂纹的研究由于整个制备工艺过程和工作环境作用在陶瓷层和粘结层中通常都存在微小的裂纹和多孑L结构这些裂纹缺陷具有强烈的断裂力学特征采用断裂力学研究方法对于深入掌握TBC的强度和韧性具有非常重要的作用由于热障涂层内部复杂而又经常变化的应力场，热障涂层裂纹要承受I型张开型和II型剪切型2种经典裂纹“混合模型”行为作用为了表征混合模型载荷作用下在层状结构或双材料结构中这种裂纹的作用力和裂纹的韧性不同的研究表明能量释放率G和相位角是最适合使用的断裂力学参数采用MCCIM0DIFIEDCRACKC1OSUREINTEGRALMETHOD方法【7L计算应变能量释放率G。GI、G由裂纹尖部应力和位移计算，见式1、式2。GLIRA1OU，7GLIM。击R，0，丌2总的能量释放率GGIG式中，OYYR,0、TXYR,0是裂纹尖部应力；VAAR，7R、UAAR，7R是裂纹尖部位移；GI、G分别是I型裂纹和II裂纹能量释放率N是裂纹扩展长度应变能释放率G强烈依赖于I型和II型裂纹应力强度因子I、的比例，无量纲相位角用以表征I型和II型应力强度因子的比例关系记第4期2015年12月圣言乞粉搂DONGFANGTURBINENO4DEC2015作OTAN一KKI。33有限元研究方法有限元数值模拟计算类软件的发展对于热障涂层热应力的研究具有很大的推动作用使得应力计算可以考虑更为全面的因素其中最主要的是对于热生长氧化物生成的考虑并且使得对热障涂层微观细观层次上的应力分布以及失效机理有了更好的认识并能考虑到模型界面形貌起伏这一微观层次上对于应力以及失效模式的影响以及考虑到材料的一些非线性特性如蠕变特性、TGO生长特性等使得数值模拟的结果与实际测量结果吻合得越来越好热障涂层有限元方法研究发展的主要里程有AMKARLSS0N等建立了包括TC层TBC、TGO、BC层和金属基体的有限元计算模型这个模型为后续的模型优化和完善提供了参考1998年AMFREBORG利用有限元计算软件中生死单元的方法模拟TGO长大的过程LANGER等开发了OOFOBIECTORIENTEDFINITEELEMENTS软件，其可以基于图片像素生成有限元网格可以适用于任何几何形状边界、复合材料、多孔介质、裂纹等的网格生成3。4热障涂层试验方法研究热障涂层不同于一般金属材料其组成系统的层状结构、纵横方向异性、TGO氧化生长、材料非线性特性蠕变特性都对涂层失效机理存在各自不同的影响仅仅依靠理论分析和数值模拟还不足以完全掌握热障涂层的损伤失效、寿命等特性试验对于热障涂层的研究非常重要对于热障涂层的试验在力学方面主要采用拉伸、弯曲三点或四点、杯突等进行强度、疲劳、蠕变、断裂等试验，并测量结合强度、涂层弹性模量等材料物性参数在涂层热性能试验方面，进行热震、热循环、热冲击、隔热、燃气盐腐蚀、冲蚀等试验。并采用衍射法、物质去除法、曲率法等试验方法测试涂层残余应力人们朝着更加接近于真实服役环境方向进行试验方法的研究MARIONBARTSCH等设计了TGMFTHERMALGRADIENTMECHANICALFATIGUE高温样件热障涂层试验装置能够模拟航空发动机在3MIN内达到热机械疲劳载荷，通过加热、冷却、液压拉伸机构的精确控制可以实现不同的热和机械载荷以及它们的组合试验金属温度为1001000。目前预测TBC涂层寿命的方法主要基于TGO生长、材料蠕变、弹塑性、氧化本构耦合关系、断裂力学、微观结构观测、有限元数值模拟方法的研究结果目前在工程应用领域具有成功经验的寿命预测模型主要有F1铝损耗模型TBC寿命很大程度上依赖于TGO生长因此可以建立基于铝损耗的寿命预测方法当铝含量下降到某临界值时保护性氧化层将不存在化学失效开始通过建立TGO氧化动力学模型或扩散模型已有TBC寿命预测模型建立。TGO氧化动力学模型即是关于TGO生长厚度计算主要可以参考微观结构研究文献F2NASA模型NASA建立的热障涂层寿命模型采用C0MNMANSON表达式式中3，V_失效循环次数一非弹性应变最大允许值广每次循环引起失效的非弹性应变失效量6一常数，考虑了高温对于寿命的影响。NASA模型考虑了TGO生长加厚对于寿命的影响F3BUSS0等建议模型BUSSO等对于APS热障涂层建议了如式4所示的模型D等F41第4期2015年12月圣言汔粉搂DONGFANGTURBINENO4DEC2015式中D一疲劳损伤系数，0D1，失效时DI；一一最大平面界面应力；，V一循环次数M、F_根据试验得到。4BRODIN。JINNESTRAND和SJOSTROM建议模型由BRODINJINNESTRAND和SJSTROM建议的模型采用PARIS幂函数表达式CAAGN5式中G一能量释放率C、一常数；D一损伤系数，按式6计算。DILGOTCTCTGO式中L，1I，LTGO、交界面中裂纹长度6TC层和TGOTC层一分析段的总长度目前世界上对于热障涂层寿命预测研究已经达到较为成熟的水平BUSSO等不仅研究了TBC寿命预测的方法模型而且还开发出了专门的寿命预测软件其寿命预测方法及具体的流程步骤见文献8。通过研究大量的国内外文献了解和掌握了前人关于热障涂层的工作以及最新的进展情况归纳总结出热障涂层失效与机理研究方法以及热障涂层寿命预测方法与模型。热障涂层失效与机理研究方法主要包括微观结构方法研究、断裂力学方法研究、有限元方法研究以及热障涂层试验方法研究这些研究方法既有不同的适用研究范围又相辅相承寿命预测方法模型主要研究了铝损耗模型、NASA模型、BUSS0等建议模型、BRODIN。JINNESTRAND和SJSTRSM建议模型。本文研究为重型燃机热障涂层的应用与开发提供系统研究方法指导参考文献1KARISSON，AMMODELINGFAILURESOFTHERMALBARRIERCOATINGSJKEYENGINEERINGMATERIALS，2007，3331551652NAGESWARARAOMUKTINUTALAPATIMATERIALSFORGASTURBINESANOVERVIEWADVANCESINGASTURBINETECHNOLOGYM2O113MARCINBIDASMECHANICALMODELLINGOFTHINFILMSSTRESSEVOLUTION，DEGRADATION，CHARACTERIZATIONUIPPTREPORTSONFUNDAMENTALTECHNOLOGICALRESEARCH，2012，13238【4】姚国凤，马红梅，王晓英，等热障涂层界面形貌尺寸与残余应力的关系金属热处理，2005，301043465MAHRENS，RVABEN，GKERKHOFF,DSDJVERLIFETIMEPREDICTIONMODELFORPLASMASPRAYEDTHERMALBARRIERCOATINGSBASEDONAMICROMECHANICALAPPROACHCERAMICMATERIALSCOMPONENTSFORENGINES20073053106HASSANMOHAMEDFINITEELEMENTANALYSISFEAIMPLEMENTATIONOFTHERMALBARRIERCOATINGTBCLITIMEPREDICTIONMETHODSID】MASSACHUSETTSINSTITUTEOFTECHNOLOGY，200971SVISWANATH，HVLAKSHMINARAYANA，DDRAVINDRANATHAMODIFIEDC