Yttrium和初始表面缺陷对热障陶瓷系统性能的影响

李峰勋+李振哲

摘 要： 热障陶瓷系统广泛应用于涡轮发动机，用于保护热端部件，从而提高涡轮发动机热效率。首先，分析了Yttrium对热障陶瓷系统的影响，提出改善热障陶瓷系统性能的方法。然后，介绍了初始表面缺陷对热障陶瓷系统的影响，并探讨了改进方法。

关键词： 涡轮发动机；热障陶瓷系统；热生长氧化层

本课题研究由国家自然科学基金（项目编号：51401100）、浙江省自然科学基金（项目编号：LY16E050006）、温州市科技计划项目（项目编号：G20150010）资助。

1. 引言

随着对航空飞机性能要求的不断提高，对航空飞机涡轮发动机性能要求也越来越高。其中提高涡轮发动机的工作温度是提高性能的最直接有效的方法，这就需要热端部件具有优良的抗高温条件。研发新型抗高温材料不仅需要大量人力和物力，而且研发周期长。然而，将热障陶瓷系统（Thermal Barrier Coating System； TBCs）技术应用到涡轮发动机热端部件中，则大大提高了热端部件的使用寿命和发动机的工作效率[1，2]。

航空飞机涡轮发动机是以高温高压下燃料燃烧的能量为推进力，发动机部件尤其是暴露在高温的热端部件的抗高温性能会直接影响到发动机的效率和寿命。例如，为保护燃烧室等热端部件，热障陶瓷层广泛应用于航空飞机涡轮发动机， 热障陶瓷层承受发动机工作时的高温和由发动机反复启动而引起的温度变化，不仅提高了热端部件的耐用度而且由于工作温度的升高提升了发动机的热效率。热障陶瓷系统TBCs由以下四层组成：（i）热障陶瓷层TBC；（ii）耐高温合金；（iii）用于粘合合金和TBC的粘合层（Bond Coat；BC）；（iv）TBC和BC界面形成的热生长氧化层（Thermally Grown Oxide； TGO）。

虽然热生长氧化层对合金金属有热屏蔽的作用，但也能导致热障陶瓷系统的失效[1-3]。

热障陶瓷层必须能够承受从高温到低温的温度周期性变化，及由此产生的对涂层的热疲劳性和热冲击性。为了提高涂层的耐热震性，应尽可能使涂层与基体材料具有相近的热膨胀系数。实际上，热障陶瓷系统的失效主要由热生长氧化层引起，而热生长氧化层的失效主要由应力的累积造成。热生长氧化层的应力由热生长氧化层和粘合层的不同的热膨胀系数[1-4]及高温中由热生长氧化层界面方向生长而引起的应力[1-5]。研究表明热生长氧化层和粘合层的热膨胀系数相差两倍[5]。

基于本课题组的研究结果和三个相关成果，作者及研究团队对有关微量元素钇（Y， Yttrium）对热障陶瓷层性能的影响、初始表面缺陷对热障陶瓷层性能的影响、热生长氧化层的生长特性、热障陶瓷层的仿真及试验方法、性能优化方法等多个方面做了一些总结，指明了其发展方向[5]。

流入叶片内部管道的冷却空气可以在叶片内部流动起到对叶片合金部件的冷却的作用，冷却空气通过加工在叶片表面的冷却孔喷射到叶片表面，在叶片表面形成一层空气层，从而降低叶片的温度来提高发动机的热效率[5]。

关于冷却孔的研究很多学者都是着重于冷却孔周围的热传导[18-20]，但是涡轮发动机在运转过程中不仅受热疲劳影响，而且还有叶片高速旋转所导致的向心力，这种作用在冷却孔周围的向心力会产生应力集中现象，导致TBC失效和冷却孔周围裂纹[21-24]，冷却孔的变形和裂纹的出现可以直接引发叶片的失效乃至发动机的损伤，因此有必要对振动诱发热和机械耦合效应下冷却孔的变形进行分析和研究。

首先，我们分析了Yttrium对热障陶瓷系统的影响，提出改善热障陶瓷系统性能的方法。然后，介绍了初始表面缺陷对热障陶瓷系统的影响，并探讨了改进方法。

2. Yttrium的影响

包含在金属基体或粘合层中的Yttrium可以提高热生长氧化层的稳定性。图1表示利用Fe-20Cr-4Al温度在1273， 1373， 1473K条件下Sulfur或Yttrium的不同含量对质量和表面的变化。研究表明Sulfur降低界面强度，但Yttrium可以提高粘合度。同时，Yttrium还可以减少热生长氧化层的起皱现象。应该指出，Yttrium对降低熱生长氧化层的起皱程度和氧化生长应变程度。

3. 初始缺陷的影响

粘合层形状影响热生长氧化层的稳定性。图2表示在热循环负载条件下由于粘合层的初始缺陷导致热障陶瓷层的失效。由热生长氧化层的生长而导致初始缺陷的变形。

4. 结论

本文讨论了Yttrium和初始表面缺陷对热障陶瓷系统性能的影响。通过本次讨论，提出了改善热障陶瓷系统性能的有效方法。本文对设计一个高性能涡轮发动机用热障陶瓷系统提供科学依据。

参考文献

[1] 刘纯波， 林峰， 蒋显亮， 热障涂层的研究现状与发展趋势， 中国有色金属学报， 2007， 17（1）： 1-13.

[2] 胡涛涛， 胡兵兵， 苗壮等， 界面形貌对热障涂层残余应力分布的影响， 材料开发与应用， 2012， 27（1）： 32-35.

[3] 白玉梅， 徐颖强， 赖明荣等， 热障涂层热不匹配残余应力的分析研究， 科学技术与工程， 2011， 11（14）： 3126-3129.

[4] 高永栓， 陈立强， 宫声凯等， 在高温蠕变环境中的热障涂层失效行为， 航空学报， 2005， 26（1）： 121-124.

[5] 李振哲， 李峰勋， 申允德等， 发动机节能环保相关关键技术， 四川大学出版社， 中国， 2017.endprint