Este estudio, que tiene como objetivo el fenómeno del desprendimiento del revestimiento de barrera térmica de las aspas de la turbina de trabajo del motor durante el funcionamiento de prueba, descubrió la causa raíz del desprendimiento del revestimiento durante el uso del producto a través de la observación macroscópica, el análisis de la morfología del microscopio electrónico de barrido y el análisis de microcomponentes del espectro de energía, combinados con los resultados de la investigación de todo el proceso, y presentó sugerencias para mejorar la tecnología de procesamiento de las piezas posteriores.
El revestimiento de barrera térmica por deposición física de vapor por haz de electrones (EB-PVD) se ha utilizado ampliamente en las palas de los motores de aviación y se ha convertido en una tecnología clave indispensable para las palas de los motores de aviación. La tecnología EB-PVD es una tecnología que utiliza un haz de electrones de alta densidad de energía para calentar el material que se va a vaporizar en un crisol enfriado por agua en un entorno de vacío, de modo que alcance un estado de gasificación fundido y se evapore al sustrato bajo la acción de un campo magnético deflector para condensarse en un revestimiento. Existen muchos tipos de estructuras de revestimiento de barrera térmica EB-PVD, incluidas la estructura de doble capa, la estructura de gradiente y la estructura multicapa, de las cuales la más utilizada es el revestimiento de barrera térmica de doble capa. El revestimiento de barrera térmica de doble capa se compone de una capa superior de cerámica y una capa de unión de metal. La capa de cerámica desempeña principalmente la función de aislamiento térmico, y la capa de unión de metal desempeña principalmente la función de aliviar el desajuste de expansión térmica entre la matriz y la capa de cerámica, y mejorar la resistencia de la matriz a la corrosión por oxidación a alta temperatura. En el entorno de trabajo real, la interfaz entre la capa de unión y la capa cerámica formará una capa de óxido, cuyo componente principal es -Al2O3, inhibiendo así la difusión adicional de elementos O en el revestimiento. El principal desafío al que se enfrenta la aplicación de revestimientos de barrera térmica es la durabilidad del revestimiento, especialmente la resistencia del revestimiento al desconchado, que está influenciada por muchos factores, como el estado de tensión en la capa cerámica, la microestructura de la capa de unión, el espesor y el estado de tensión de la capa TGO y la resistencia a la fractura de las diversas interfaces entre la capa de unión y el TGO. En la actualidad, se reconoce que la oxidación de la capa de unión es el factor clave para determinar la vida útil del revestimiento de barrera térmica.
1. Proceso de prueba y resultados
1.1 Observación macroscópica de la morfología del desconchado del revestimiento
Nueve horas después de la prueba del motor, se encontró que el revestimiento de la superficie de la pala de trabajo se estaba descascarando y que el área de descascarillado excedía los requisitos estándar. Su macromorfología se muestra en la Figura 1.
1.2 Análisis comparativo del recubrimiento antes y después de su uso
Para analizar más a fondo las causas del descascarillado del recubrimiento de las hojas, se compararon las hojas de servicio con las hojas nuevas del mismo lote, y se compararon y analizaron los componentes del recubrimiento y la microestructura de las puntas de las láminas y las partes medias de cada hoja de acuerdo con las posiciones de las hojas que se muestran en la Figura 2.
1) Comparación de la macromorfología de la hoja. Se compararon y observaron la hoja de servicio y la hoja nueva, y la morfología se muestra en la Figura 3. El descascarillado del recubrimiento de la hoja de servicio se concentra principalmente en el borde de entrada y el borde de escape de la hoja cerca de la punta de la hoja.
2) Análisis de la composición química. Se tomaron muestras de la punta de la hoja y de la parte media del cuerpo de la hoja, y se prepararon muestras metalográficas después del mosaico en caliente. De acuerdo con las partes de detección que se muestran en la Figura 2, se analizaron los componentes del revestimiento en cada parte de la hoja mediante el espectro de energía. Los resultados mostraron que el contenido del elemento principal en la capa inferior de las hojas peladas era básicamente el mismo que en el mismo lote de hojas sin instalar, pero no había una diferencia obvia en el contenido del elemento principal en la capa superficial.
3) Análisis de la morfología del recubrimiento. Las muestras metalográficas se observaron mediante microscopía electrónica de barrido y los resultados se muestran en la Figura 4. Se puede ver en la figura que la capa inferior de la pala donde se despega el recubrimiento está intacta y algo de tejido de la capa superficial permanece en la capa inferior. El recubrimiento se rompe desde la raíz del cristal columnar de la capa superficial y hay una capa de TGO de aproximadamente 1 μm entre la capa superficial y la capa inferior. Además, se analizó la estructura completa del recubrimiento en diferentes posiciones de la pala y se observó la morfología microscópica desde el borde de entrada hasta el borde de escape en la sección media de la pala. En el borde de entrada de la sección media de la pala, el cristal cilíndrico de la capa superficial se ha agrietado a lo largo de la raíz, lo que indica que el recubrimiento comienza a desprenderse en la punta de la pala y la fractura se extiende hasta la mitad de la pala. Por otro lado, las estructuras cristalinas columnares de la capa superficial en la parte posterior de la hoja y el borde de escape están agrupadas, no en una distribución plumosa, el espaciamiento entre los cristales columnares no es obvio y la raíz del cristal columnar es más suelta que la punta.
Se realizó una microscopía electrónica de barrido en diferentes posiciones de hojas desinstaladas del mismo lote, y los resultados se muestran en la Figura 5. Como se puede ver en la Figura 5, la estructura de recubrimiento de las hojas recién hechas es la misma que la de las hojas peladas. El extremo superior del cristal columnar está densamente distribuido y la estructura de la capa superficial está formada por capas apiladas. Hay una capa TGO obvia entre la capa superficial y la capa inferior, y el espesor es de aproximadamente 1 μm. La existencia de una capa TGO entre la capa de unión y la capa cerámica en la hoja indica que durante la deposición de la capa cerámica, hay una cierta cantidad de O en el horno, lo que promueve la formación de la capa TGO, y el grado de vacío del horno puede no cumplir con los requisitos estándar, de modo que la capa TGO se forma primero en la unión de la capa inferior y la capa superficial. Al mismo tiempo, el agrietamiento cerámico superficial a lo largo del cristal columnar también existe en la punta de la hoja.
El proceso de recubrimiento de barrera térmica de la cuchilla es el siguiente: pretratamiento de la superficie de la cuchilla → base de deposición de revestimiento iónico de arco múltiple → difusión al vacío → limpieza ultrasónica → capa superficial de deposición de haz de electrones al vacío. Durante su procesamiento, tanto la capa de unión metálica como la capa cerámica se depositan al vacío, por lo que no se debe producir una capa de TGO de aproximadamente 1 μm de espesor entre la capa de unión y la capa cerámica. El proceso de preparación del recubrimiento de barrera térmica existente no contiene la capa de TGO para la detección de tejidos, por lo que el impacto de la capa de TGO generada en el proceso de preparación en el rendimiento y la vida útil del recubrimiento de barrera térmica debe demostrarse en detalle, por lo que no es necesario entrar en detalles aquí. Sin embargo, si el grado de vacío en el horno no cumple con los requisitos, la estructura y las propiedades de la superficie cerámica pueden afectar la vida útil del recubrimiento de barrera térmica, lo que se verifica mediante experimentos en este estudio.
1.3 Prueba de microdureza
Se probó la dureza de la superficie cerámica de los dos tipos de cuchillas respectivamente, y los resultados se muestran en la Tabla 1. Se puede ver que no hay diferencia significativa en el valor de dureza de la superficie cerámica de la cuchilla peladora revestida y la de la cuchilla sin instalar en el mismo lote, lo que indica que el valor de dureza de la cuchilla en el mismo lote no cambia significativamente antes y después del uso.
1.4 Prueba de verificación
La capa cerámica del revestimiento de barrera térmica se lleva a cabo bajo el proceso de deposición física por haz de electrones. El ZrO2 se calienta en un horno de vacío hasta que se evapora del lingote y luego se deposita lentamente sobre la superficie de la cuchilla. La forma y el espesor del crecimiento de la capa cerámica se aseguran controlando parámetros como la corriente, el grado de vacío y el tiempo de deposición en el horno de vacío. Después de la revisión del proceso, se encontró que hay registros de reemplazo de alambre de pistola o aceite de bomba mecánica en el horno de vacío, lo que afectará directamente el grado de vacío del horno de vacío y luego afectará el crecimiento de los cristales columnares del revestimiento cerámico. Para verificar si el grado de vacío tiene un efecto sobre la morfología y las propiedades de los cristales cilíndricos de la capa cerámica, se llevan a cabo las pruebas de deposición de diferentes capas cerámicas utilizando los parámetros del proceso en la Tabla 2.
El recubrimiento de la hoja se observó con microscopio electrónico en dos condiciones. Los resultados muestran que, bajo el mismo voltaje, corriente y tiempo de deposición, cuando el grado de vacío en el horno es de 5×10−4 Torr, los cristales columnares de cerámica aparecen como plumas o como trigo, y no hay una capa de TGO entre la capa de unión y la capa de cerámica (FIG. 6a). Cuando el grado de vacío fue de 5×10−3 Torr, los cristales columnares del recubrimiento cerámico fueron gruesos y no mostraron una forma similar a una pluma o a una espiga. La microestructura de la raíz de los cristales columnares fue relativamente suelta en comparación con la del extremo, y la microestructura fue similar a la de las hojas no instaladas, y hubo una capa de TGO entre la capa de unión y la capa de cerámica (FIG. 6b). Al mismo tiempo, se probó la dureza del recubrimiento cerámico bajo los dos grados de vacío, y los resultados mostraron que la dureza de la capa cerámica fue mayor bajo el grado de vacío de 5×10−4 Torr, mientras que la dureza de la capa cerámica depositada bajo el grado de vacío de 5×10−3 Torr fue menor (Tabla 3).
2. Conclusión
1) La capa de cerámica de la cuchilla defectuosa se rompe desde la raíz de la capa superficial, y la estructura de la raíz del cristal columnar está suelta, y la parte media y superior del cristal columnar están agrupadas y distribuidas en capas. El valor de dureza es menor que el de la capa de cerámica normal, y la estructura es significativamente diferente a la del cristal columnar revestido de cerámica normal.
2) El grado de vacío tiene una influencia directa en la morfología de crecimiento del revestimiento cerámico. Cuando el grado de vacío cumple con los requisitos estándar, los cristales columnares crecen como plumas u orejas. Cuando el grado de vacío es inferior a los requisitos estándar, la raíz del cristal columnar está suelta, la parte media y superior del cristal columnar son densas y hay una capa TGO evidente entre la capa de unión y la capa cerámica.
3) La falla de la capa de cerámica de la cuchilla defectuosa para cumplir con los requisitos de uso se debe a la condición anormal del equipo de deposición física, lo que da como resultado que la organización de la capa de cerámica depositada no cumpla con los requisitos estándar.
