涡轮丨航空发动机涡轮叶片热障涂层剥落原因剖析

电子束物理气相沉积（EB-PVD）的热障涂层已经广泛应用于航空发动机叶片，成为航空发动机工作叶片不可或缺的一项关键技术。EB-PVD技术是在真空环境下，利用高能量密度的电子束加热放入水冷坩埚中的待蒸发材料，使其达到熔融气化状态，并在偏转磁场作用下蒸发至基板上凝结成涂层的技术。

EB-PVD热障涂层结构有多种，包括双层结构、梯度结构和多层结构，其中应用最为广泛的是双层结构热障涂层。双层结构热障涂层由陶瓷顶层和金属粘结层构成。陶瓷层主要起隔热作用，金属粘结层主要作用是缓解基体与陶瓷层之间的热膨胀不匹配，以及提高基体的抗高温氧化腐蚀性能。在实际工作环境中，粘结层−陶瓷层界面将形成一层氧化层（Thermally grown oxides，TGO），其主要成分为α-Al2O3，进而抑制O元素进一步向涂层内部扩散[2-3]。热障涂层应用面临的主要挑战是涂层的耐久性，尤其是涂层抗剥落性能，其影响因素众多，例如陶瓷层中的应力状态、粘结层的显微组织、TGO层的厚度和应力状态以及粘结层和TGO之间各种界面的断裂抗力等[4-8]。目前得到公认的是粘结层的氧化是决定热障涂层寿命的关键因素。

1.   试验过程与结果

1.1   涂层剥落形貌宏观观察

发动机试车9 h后经检查发现，工作叶片表面的涂层存在剥落现象，并且剥落面积超过标准要求。其宏观形貌见图1。

图 1  叶片涂层剥落宏观照片

Figure 1.  Macrostructure of desquamated coating on the blade

1.2   涂层使用前后对比分析

为进一步分析叶片涂层剥落的原因，现将服役叶片与同批次新叶片进行对比，按图2所示的叶片位置分别对各叶片的叶尖和叶身中部的涂层成分和组织形貌进行对比分析。

图 2  叶片涂层检测部位示意图

Figure 2.  Drawing of detected locations on the coating

1）叶片宏观形貌对比。将服役叶片与新叶片进行对比观察，形貌见图3。服役叶片涂层剥落主要集中在叶片近叶尖处的进气边和排气边的位置。

图 3  服役叶片与同批次新叶片宏观形貌

Figure 3.  Macro morphology of the blade with coating peeling off and the blade without machine in the same batch

2）化学成分分析。在叶片的叶尖和叶身中部截取样品，热镶嵌后制备金相试样，按图2所示的检测部位，对叶片上各部位的涂层成分进行能谱分析。结果表明，涂层剥落的叶片与同批次未装机的叶片底层主量元素含量基本一致，面层主量元素含量未见明显的差别。

3）涂层形貌分析。将金相试样进行扫描电镜观察，结果如图4所示。由图可见：涂层剥落的叶片剥落处的底层完好，底层上残留部分面层组织。涂层剥落是从面层柱状晶的根部断裂，同时面层与底层之间存在约为1 μm的TGO层。进一步分析涂层剥落的叶片不同位置的完整涂层组织，在叶片中部截面分别对进气边到排气边的显微形貌进行观察。在叶片中部截面的进气边处，面层的柱状晶沿根部已经开裂，表明从叶尖该位置涂层剥落开始，断裂延伸至叶片的中部位置；而在叶背和排气边处的面层柱状晶组织聚集在一起，不呈羽毛状分布[1]，柱状晶之间的间距不明显，柱状晶根部较端部疏松。

图 4  涂层剥落的叶片不同位置的热障涂层组织形貌

Figure 4.  Microstructure of thermal coating in different locations about coating peeling off blade

对同批次未装机叶片的不同位置进行扫描电镜观察，结果如图5所示。由图5可见，新制叶片的涂层组织与涂层剥落的叶片涂层组织一样，柱状晶上端呈密集分布，面层组织是层层堆落而成。面层与底层之间存在明显的TGO层，厚度约1 μm左右。该叶片上粘接层与陶瓷层存在TGO层，表明在进行陶瓷层沉积的过程中，炉内存在一定量的O，促使TGO层的形成，炉子的真空度可能未达到标准要求，以至于底层与面层结合处率先形成了TGO层。同时，在叶尖处还存在面层陶瓷沿柱状晶开裂的现象。

图 5  同批次未装机的叶片不同位置的热障涂层组织形貌

Figure 5.  Microstructure of thermal coating in different locations about blade not installed in the same batch

叶片热障涂层的工艺：叶片表面前处理→多弧离子镀沉积底层→真空扩散→超声清洗→真空电子束沉积面层。在其加工过程中，金属粘接层和陶瓷层均为真空下进行的沉积，因此在粘接层与陶瓷层之间不应产生约1 μm厚的TGO层。现有热障涂层制备过程中对组织检测不包含TGO层，故在制备过程中产生的TGO层对热障涂层的性能及使用寿命有多大影响还需要进行详细的试验论证，在此不再赘述。但是，炉内真空度如果不满足要求时，产生的陶瓷面层的组织与性能可能会影响热障涂层的使用寿命，本研究对此进行试验验证。

1.3   显微硬度试验

分别对2种叶片的陶瓷面层进行硬度测试，结果见表1。可以看出，涂层剥落叶片陶瓷面层与同批次未装机的叶片陶瓷面层硬度值无较大差别，表明同批次的叶片在使用前后的硬度值未发生明显的变化。

1.4   验证试验

热障涂层的陶瓷层是在电子束物理沉积工艺下进行的，ZrO2在真空炉内加热直至从料锭上蒸发，然后缓慢沉积在叶片表面上，通过控制真空炉内的电流、真空度和沉积时间等参数来确保陶瓷层生长的形态和厚度。经过工艺复查，发现真空炉存在更换枪丝或机械泵油记录，这直接会影响到真空炉的真空度，进而影响陶瓷涂层柱状晶的生长。为了验证真空度是否对陶瓷层柱状晶的形貌及性能产生影响，采用表2的工艺参数进行不同陶瓷层的沉积试验。

电镜观察两种工艺条件下沉积的叶片涂层组织。结果表明，在电压、电流、沉积时间相同的情况下，炉内真空度为5×10−4 Torr时，陶瓷柱状晶呈现羽毛状或麦穗状，粘接层与陶瓷层之间未产生TGO层（图6a）；真空度为5×10−3 Torr时，陶瓷涂层的柱状晶粗大，未呈现羽毛状或麦穗状形态，柱状晶根部组织相对于端部组织较为疏松，其显微组织与未装机叶片显微组织相似，并且粘接层与陶瓷层之间有TGO层（图6b）。同时，对两种真空度下的陶瓷涂层硬度进行检测，结果表明，在5×10−4 Torr真空度下，陶瓷层硬度值较高，而在5×10−3 Torr真空度下沉积的陶瓷层硬度值较低（表3）。

图 6  不同真空度下陶瓷涂层的典型组织

Figure 6.  Microstructure of top coating under different vacuum degree

2.   分析与讨论

通过组织形貌观察、化学成分分析、显微硬度检测及验证试验等，对热障涂层做了系统的分析。结果表明，发动机试车后使用的叶片以及同批次未装机的叶片的陶瓷层组织无明显的柱状晶显示，而是呈现层状分布，与标准的陶瓷层柱状晶组织差异明显。同时，粘接层与陶瓷层之间存在TGO层，这可以削弱两者之间的结合力[9-11]，在外力作用下，陶瓷层根部更加容易断裂，进而造成陶瓷层剥落的现象。

验证试验中两种工艺参数下沉积的陶瓷层组织存在明显的差异。在电压、电流、转速和沉积时间相同的情况下，真空度在标准要求范围时，产生的陶瓷层柱状晶组织呈现羽毛状或是麦穗状，符合陶瓷层组织验收标准，并且显微硬度值高；真空度低于标准要求范围时产生的陶瓷层组织与故障件的陶瓷层组织相似，粘接层与陶瓷层存在TGO层，显微硬度值低。这表明物理气相沉积设备内真空度对陶瓷层的组织和性能有较大的影响。

对故障件叶片进行生产现场调研发现，该批次叶片在进行陶瓷层沉积工艺过程中存在更换枪丝、补充机械泵油、工装盒变形等异常情况，事后对炉内的真空度未进行校准，这对陶瓷层的组织造成一定的影响。首先，更换枪丝时需要开启炉门，然后利用电子束枪加热料锭的方式对炉膛进行加热烘炉。烘炉不彻底时，炉膛内的N2、H2O较多，导致料锭蒸发过程中，料锭蒸汽受到炉膛内的气氛阻碍，打断了料锭蒸汽成分的连续性和一致性。其次，机械泵油不足时，真空系统的抽气速率降低，炉膛内的气体原子分子较多，同样会对料锭蒸汽形成阻碍。这两者对料锭蒸汽成分产生阻碍时，沉积在叶片表面的陶瓷层组织不够致密，纵向生长方向上较为疏松，再加之存在一定的TGO层，会缩短涂层的使用寿命。最后，由于工装涂覆时受到高温作用，易产生工装变形，变形的工装在圆周位置产生变化，导致叶片涂覆时受到的电子束加热和料锭辐射加热不均匀，而料锭蒸汽成分需要在均匀加热条件下才能形成较为致密的组织和结合力牢固的陶瓷层。

3.   结论

1）故障叶片陶瓷层剥落是从面层根部断裂，且柱状晶根部组织疏松，柱状晶中上部聚集，呈层状分布，硬度值与正常陶瓷层的硬度值相比较低，且组织与正常陶瓷涂层柱状晶差异明显。

2）真空度对于陶瓷涂层的生长形貌有直接的影响。当真空度满足标准要求时，柱状晶呈羽毛状或麦穗状生长；当真空度低于标准要求时，柱状晶根部疏松，柱状晶中上部密集，粘接层与陶瓷层之间存在明显的TGO层。

3）故障叶片陶瓷层不满足使用要求是物理沉积设备存在异常情况所致，造成沉积的陶瓷层组织不满足标准要求。