Diese Studie untersuchte das Phänomen des Ablösens der Wärmedämmschicht von Turbinenschaufeln während des Testlaufs. Durch makroskopische Beobachtung, Rasterelektronenmikroskop-Morphologieanalyse und Energiespektrum-Mikrokomponentenanalyse, kombiniert mit den Untersuchungsergebnissen des gesamten Prozessablaufs, fand sie die Grundursache für das Ablösen der Beschichtung während der Verwendung des Produkts heraus und unterbreitete Vorschläge zur Verbesserung der Verarbeitungstechnologie nachfolgender Teile.
Die Wärmedämmschicht aus EB-PVD (Elektronenstrahl-Physikalische Gasphasenabscheidung) wird häufig bei Triebwerksschaufeln verwendet und ist zu einer unverzichtbaren Schlüsseltechnologie für Triebwerksschaufeln geworden. Bei der EB-PVD-Technologie wird ein Elektronenstrahl mit hoher Energiedichte verwendet, um das zu verdampfende Material in einem wassergekühlten Tiegel in einer Vakuumumgebung zu erhitzen, sodass es einen geschmolzenen, vergasbaren Zustand erreicht und unter der Einwirkung eines ablenkenden Magnetfelds auf dem Substrat verdampft, um zu einer Beschichtung zu kondensieren. Es gibt viele Arten von EB-PVD-Wärmedämmschichtstrukturen, darunter Doppelschichtstrukturen, Gradientenstrukturen und Mehrschichtstrukturen, von denen die Doppelschicht-Wärmedämmschicht am häufigsten verwendet wird. Die Doppelschicht-Wärmedämmschicht besteht aus einer keramischen Deckschicht und einer Metallbindeschicht. Die Keramikschicht dient hauptsächlich der Wärmeisolierung, und die Metallbindeschicht dient hauptsächlich dazu, die Wärmeausdehnungsfehlanpassung zwischen der Matrix und der Keramikschicht zu verringern und die Beständigkeit der Matrix gegen Oxidationskorrosion bei hohen Temperaturen zu verbessern. In der tatsächlichen Arbeitsumgebung bildet die Schnittstelle zwischen der Bindungsschicht und der Keramikschicht eine Oxidschicht, deren Hauptbestandteil -Al2O3 ist, wodurch die weitere Diffusion von O-Elementen in die Beschichtung verhindert wird. Die wichtigste Herausforderung beim Aufbringen von Wärmedämmschichte ist die Haltbarkeit der Beschichtung, insbesondere die Beständigkeit der Beschichtung gegen Abplatzen, die von vielen Faktoren beeinflusst wird, wie dem Spannungszustand in der Keramikschicht, der Mikrostruktur der Bindungsschicht, der Dicke und dem Spannungszustand der TGO-Schicht und der Bruchfestigkeit der verschiedenen Schnittstellen zwischen der Bindungsschicht und TGO. Derzeit ist bekannt, dass die Oxidation der Bindungsschicht der wichtigste Faktor für die Lebensdauer der Wärmedämmschicht ist.
1. Testablauf und Ergebnisse
1.1 Makroskopische Betrachtung der Morphologie von Beschichtungsabplatzungen
9 Stunden nach dem Motortest wurde festgestellt, dass die Beschichtung auf der Oberfläche der Arbeitsschaufel abplatzte und der Abplatzungsbereich die Standardanforderungen überschritt. Seine Makromorphologie ist in Abbildung 1 dargestellt.
1.2 Vergleichende Analyse der Beschichtung vor und nach dem Einsatz
Um die Ursachen für das Ablösen der Blatthaut weiter zu analysieren, wurden die Elsbeerblätter mit den neuen Blättern der gleichen Partie verglichen und die Hautkomponenten und die Mikrostruktur der Blattspitzen und Mittelteile jedes Blattes entsprechend der in Abbildung 2 gezeigten Blattpositionen verglichen und analysiert.
1) Vergleich der Blattmakromorphologie. Das Serviceblatt und das neue Blatt wurden verglichen und beobachtet, und die Morphologie ist in Abbildung 3 dargestellt. Das Ablösen der Beschichtung des Serviceblatts konzentriert sich hauptsächlich auf die Einlasskante und die Auslasskante des Blatts in der Nähe der Blattspitze.
2) Analyse der chemischen Zusammensetzung. Proben wurden von der Spitze der Klinge und der Mitte des Klingenkörpers entnommen und nach dem Heißmosaikverfahren metallografische Proben hergestellt. Gemäß den in Abbildung 2 gezeigten Erkennungsteilen wurden die Beschichtungskomponenten auf jedem Teil der Klinge anhand des Energiespektrums analysiert. Die Ergebnisse zeigten, dass der Gehalt des Hauptelements in der unteren Schicht der geschälten Blätter im Wesentlichen derselbe war wie in derselben Charge nicht geschälter Blätter, aber es gab keinen offensichtlichen Unterschied im Gehalt des Hauptelements in der Oberflächenschicht.
3) Analyse der Beschichtungsmorphologie. Metallografische Proben wurden mithilfe einer Rasterelektronenmikroskopie untersucht und die Ergebnisse sind in Abbildung 4 dargestellt. Aus der Abbildung ist ersichtlich, dass die untere Schicht der Schaufel, wo die Beschichtung abgelöst ist, intakt ist und etwas Oberflächenschichtgewebe auf der unteren Schicht verblieben ist. Die Beschichtung ist von der Wurzel des säulenförmigen Kristalls der Oberflächenschicht aus aufgebrochen und zwischen der Oberflächenschicht und der unteren Schicht befindet sich eine etwa 1 μm dicke TGO-Schicht. Ferner wurde die vollständige Beschichtungsstruktur an verschiedenen Stellen der Schaufel analysiert und die mikroskopische Morphologie von der Einlasskante bis zur Auslasskante im Mittelteil der Schaufel beobachtet. An der Einlasskante des Mittelteils der Schaufel ist der zylindrische Kristall der Oberflächenschicht entlang der Wurzel gerissen, was darauf hindeutet, dass die Beschichtung an der Spitze der Schaufel beginnt, sich abzulösen, und der Bruch sich bis zur Mitte der Schaufel erstreckt. Andererseits sind die säulenförmigen Kristallstrukturen der Oberflächenschicht auf der Rückseite des Blattes und an der Auspuffkante dicht beieinander und nicht federleicht verteilt. Der Abstand zwischen den säulenförmigen Kristallen ist nicht offensichtlich und die Wurzel der säulenförmigen Kristalle ist lockerer als die Spitze.
An verschiedenen Stellen der nicht montierten Klingen derselben Charge wurde eine Rasterelektronenmikroskopie durchgeführt. Die Ergebnisse sind in Abbildung 5 dargestellt. Wie aus Abbildung 5 ersichtlich, ist die Beschichtungsstruktur der neu hergestellten Blätter dieselbe wie die der geschälten Blätter. Das obere Ende des säulenförmigen Kristalls ist dicht verteilt und die Oberflächenschichtstruktur wird durch Stapeln von Schichten gebildet. Zwischen der Oberflächenschicht und der unteren Schicht befindet sich eine deutliche TGO-Schicht, die etwa 1 μm dick ist. Das Vorhandensein einer TGO-Schicht zwischen der Bindeschicht und der Keramikschicht auf der Klinge weist darauf hin, dass sich während der Abscheidung der Keramikschicht eine bestimmte Menge O im Ofen befindet, die die Bildung der TGO-Schicht fördert, und dass der Vakuumgrad des Ofens möglicherweise nicht den Standardanforderungen entspricht, sodass die TGO-Schicht zuerst an der Verbindungsstelle der unteren Schicht und der Oberflächenschicht gebildet wird. Gleichzeitig treten auch an der Spitze der Klinge oberflächliche Keramikrisse entlang des säulenförmigen Kristalls auf.
Der Prozess der Wärmedämmschicht für Schaufelblätter läuft wie folgt ab: Vorbehandlung der Schaufeloberfläche → Abscheidung der Basis durch Mehrfachbogen-Ionenplattierung → Vakuumdiffusion → Ultraschallreinigung → Abscheidung der Oberflächenschicht durch Elektronenstrahlen im Vakuum. Während des Prozesses werden sowohl die Metallhaftschicht als auch die Keramikschicht unter Vakuum abgeschieden, sodass zwischen der Haftschicht und der Keramikschicht keine etwa 1 μm dicke TGO-Schicht entstehen sollte. Der bestehende Herstellungsprozess für Wärmedämmschicht enthält keine TGO-Schicht zur Gewebeerkennung, sodass die Auswirkungen der im Herstellungsprozess erzeugten TGO-Schicht auf die Leistung und Lebensdauer der Wärmedämmschicht im Detail nachgewiesen werden müssen, sodass hier nicht näher darauf eingegangen werden muss. Wenn jedoch der Vakuumgrad im Ofen die Anforderungen nicht erfüllt, können die Struktur und die Eigenschaften der Keramikoberfläche die Lebensdauer der Wärmedämmschicht beeinträchtigen, was durch Experimente in dieser Studie bestätigt wird.
1.3 Mikrohärteprüfung
Die Härte der Keramikoberfläche der beiden Klingenarten wurde jeweils getestet und die Ergebnisse sind in Tabelle 1 aufgeführt. Es ist ersichtlich, dass es keinen signifikanten Unterschied im Härtewert der Keramikoberfläche der beschichteten Schälklinge und dem der nicht installierten Klinge in derselben Charge gibt, was darauf hindeutet, dass sich der Härtewert der Klinge in derselben Charge vor und nach der Verwendung nicht signifikant ändert.
1.4 Verifizierungstest
Die Keramikschicht der Wärmedämmschicht wird im physikalischen Elektronenstrahlabscheidungsverfahren aufgebracht. ZrO2 wird in einem Vakuumofen erhitzt, bis es aus dem Barren verdampft, und dann langsam auf der Oberfläche der Klinge abgelagert. Die Form und Dicke des Keramikschichtwachstums werden durch die Kontrolle von Parametern wie Strom, Vakuumgrad und Ablagerungszeit im Vakuumofen sichergestellt. Nach der Prozessüberprüfung wurde festgestellt, dass es Aufzeichnungen über den Austausch von Pistolendraht oder mechanischem Pumpenöl im Vakuumofen gibt, was sich direkt auf den Vakuumgrad des Vakuumofens und dann auf das Wachstum der säulenförmigen Kristalle der Keramikbeschichtung auswirkt. Um zu überprüfen, ob der Vakuumgrad Auswirkungen auf die Morphologie und die Eigenschaften der zylindrischen Kristalle der Keramikschicht hat, werden die Ablagerungstests verschiedener Keramikschichten unter Verwendung der in Tabelle 2 aufgeführten Prozessparameter durchgeführt.
Die Blattbeschichtung wurde unter zwei Bedingungen mit einem Elektronenmikroskop untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass bei gleicher Spannung, Stromstärke und Abscheidungszeit und einem Vakuumgrad von 5×10−4 Torr im Ofen die keramischen Säulenkristalle feder- oder weizenartig erscheinen und sich zwischen der Haftschicht und der Keramikschicht keine TGO-Schicht befindet (Abb. 6a). Bei einem Vakuumgrad von 5×10−3 Torr waren die Säulenkristalle der Keramikbeschichtung grob und zeigten keine feder- oder stachelartige Form. Die Mikrostruktur der Wurzel der Säulenkristalle war im Vergleich zu der des Endes relativ locker und die Mikrostruktur war der der nicht verwendeten Blätter ähnlich, und zwischen der Haftschicht und der Keramikschicht befand sich eine TGO-Schicht (Abb. 6b). Gleichzeitig wurde die Härte der Keramikbeschichtung bei zwei Vakuumgraden getestet und die Ergebnisse zeigten, dass die Härte der Keramikschicht bei einem Vakuumgrad von 5×10−4 Torr höher war, während die Härte der bei einem Vakuumgrad von 5×10−3 Torr aufgetragenen Keramikschicht niedriger war (Tabelle 3).
2. Fazit
1) Die Keramikschicht der fehlerhaften Klinge ist von der Wurzel der Oberflächenschicht abgebrochen, und die Struktur der Wurzel des säulenförmigen Kristalls ist locker, und der mittlere und obere Teil des säulenförmigen Kristalls sind gruppiert und in Schichten verteilt. Der Härtewert ist niedriger als der der normalen Keramikschicht, und die Struktur unterscheidet sich erheblich von der des normalen säulenförmigen Kristalls mit Keramikbeschichtung.
2) Der Vakuumgrad hat einen direkten Einfluss auf die Wachstumsmorphologie der Keramikbeschichtung. Wenn der Vakuumgrad die Standardanforderungen erfüllt, wachsen die säulenförmigen Kristalle wie Federn oder Ohren. Wenn der Vakuumgrad niedriger als die Standardanforderungen ist, ist die Wurzel des säulenförmigen Kristalls locker, der mittlere und obere Teil des säulenförmigen Kristalls sind dicht und es gibt eine offensichtliche TGO-Schicht zwischen der Verbindungsschicht und der Keramikschicht.
3) Das Versagen der Keramikschicht der fehlerhaften Klinge, die Nutzungsanforderungen zu erfüllen, wird durch den anormalen Zustand der physikalischen Abscheidungsausrüstung verursacht, was dazu führt, dass die abgeschiedene Keramikschicht nicht den Standardanforderungen entspricht.
