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一种新型CMAS耦合条件下热障涂层热循环实验方法

何箐;吴鹏;屈轶;汪瑞军;王伟平

【摘要】提出一种高温度梯度、燃气加热和CMAS(CaO-MgO-Al2O3-SiO2)沉

积条件下热障涂层热循环实验方法,并对1200℃下CMAS沉积物对等离子喷涂热

障涂层过早失效的影响因素进行讨论和分析.结果表明:无CMAS耦合条件下,热障

涂层热循环寿命为573次;CMAS耦合条件下,热障涂层热循环寿命降低至70

次.CMAS渗入会导致陶瓷层表层产生致密层和横向微裂纹增多.CMAS耦合条件下,

热障涂层的失效以陶瓷层逐层剥离为主.

【期刊名称】《材料工程》

【年(卷),期】2014(000)012

【总页数】7页(P92-98)

【关键词】CMAS沉积物;热循环;高温度梯度;热障涂层;失效

【作者】何箐;吴鹏;屈轶;汪瑞军;王伟平

【作者单位】中国农业机械化科学研究院表面工程技术研究所,北京100083;中国

农业机械化科学研究院表面工程技术研究所,北京100083;中国农业机械化科学研

究院表面工程技术研究所,北京100083;中国农业机械化科学研究院表面工程技术

研究所,北京100083;中国农业机械化科学研究院表面工程技术研究所,北京

100083

【正文语种】中文

【中图分类】TG174.444

热障涂层的隔热防护功能是提高燃气轮机发动机热端部件服役寿命和使用温度的关

键手段，随着燃气涡轮发动机涡轮前温度的不断提高，热障涂层的应用已经成为必

需［1］。涡轮前温度的提高会导致低熔点（1230～1250℃）的环境沉积物

CMAS沉积在热障涂层的高温表面，导致叶片气膜孔堵塞，热障涂层分层剥离和

加速失效，严重的情况下甚至会导致热端部件的烧蚀［2］。CMAS是由于大气中

的灰尘、沙砾、火山灰等物质被吸入航空发动机内部而在高温燃气中形成的低熔点

化合物［3］，近年来在热障涂层研究领域备受关注，其不但会对热障涂层的服役

寿命造成极大影响，甚至会影响飞行安全。如2010年欧洲冰岛火山喷发引起大量

火山灰喷出，导致了欧洲航空运输业中断，其中最重要的因素是由于火山灰吸入航

空发动机内部，导致部件的磨损及冲蚀，而针对涡轮热端部件主要是CMAS沉积

物的影响［4］。

热障涂层研制和应用过程中，深入揭示和认识涂层的失效机理是优化涂层材料、结

构和工艺的基础。目前，国内外研究人员多数使用等离子喷涂CMAS层和CMAS

粉料涂抹，结合高温热处理的方法研究CMAS对涂层失效的影响。认为CMAS对

YSZ（6%～8%氧化钆部分稳定氧化锆）的溶解作用，CMAS加速陶瓷层烧结和相

变，CMAS渗入、凝固和表面沉积降低陶瓷层应变容限和提高热不匹配应力是导

致热障涂层失效的主要因素。部分研究认为，CMAS沉积层的临界厚度为20～

30μm，超过这一厚度时，由于热不匹配应力过大会导致陶瓷层剥离失效［5－8］。

传统方法通常在高于CMAS熔点条件下研究CMAS渗入过程和对陶瓷层的溶解反

应作用机理。这种方法的缺点是无法进行CMAS耦合条件下涂层寿命测试，不能

模拟高温度梯度作用下CMAS沉积物的影响，同时也无法表征CMAS沉积物逐渐

沉积过程中涂层累积损伤过程，往往会夸大CMAS沉积物对涂层损伤作用。

何箐等［9］曾利用等离子喷涂工艺在热障涂层表面喷涂一定厚度CAMS，发现在

1250℃下热处理5h后，陶瓷层从基体表面整层剥离，无法进一步研究CMAS对

涂层寿