У циљу откривања феномена љуштења превлаке термичке баријере лопатица турбине која ради мотора током пробног рада, ова студија је открила основни узрок љуштења премаза током употребе производа кроз макроскопско посматрање, анализу морфологије скенирајућим електронским микроскопом и анализу микрокомпоненти енергетског спектра, комбиновану са резултатима истраживања целог процеса, и изнео предлоге за унапређење технологије обраде наредних делова.
Превлака термичке баријере са физичким таложењем електронским снопом (ЕБ-ПВД) се широко користи у лопатицама авио мотора и постала је неопходна кључна технологија за лопатице аеро мотора. ЕБ-ПВД технологија је технологија која користи сноп електрона високе густине енергије за загревање материјала који треба да се испари у водено хлађени лончић у вакуумском окружењу, тако да достигне стање растопљене гасификације и испари до супстрата под дејством одбијајућег магнетног поља да се кондензује у премаз. Постоји много врста ЕБ-ПВД топлотних баријерних структура премаза, укључујући двослојну структуру, градијентну структуру и вишеслојну структуру, од којих је најшире коришћена двослојна топлотна баријера премаза. Двослојни премаз термалне баријере састоји се од керамичког горњег слоја и металног везног слоја. Керамички слој углавном игра улогу топлотне изолације, а метални везни слој углавном игра улогу ублажавања неусклађености термичке експанзије између матрице и керамичког слоја и побољшања отпорности матрице на високотемпературну оксидациону корозију. У стварном радном окружењу, интерфејс између слоја везивања и керамичког слоја ће формирати слој оксида, чија је главна компонента -Ал2О3, чиме се инхибира даља дифузија О елемената у премаз. Главни изазов са којим се сусреће при примени превлака термичке баријере је трајност премаза, посебно отпорност премаза на љуштење, на коју утичу многи фактори, као што су стање напона у керамичком слоју, микроструктура везног слоја, дебљина слоја. и стање напрезања ТГО слоја, и отпорност на лом различитих интерфејса између слоја везе и ТГО. Тренутно је познато да је оксидација везног слоја кључни фактор за одређивање века трајања превлаке са термичком баријером.
1. Процес испитивања и резултати
1.1 Макроскопско посматрање морфологије љуштења премаза
9 х након испитивања мотора утврђено је да је премаз на површини радне лопатице љускан, а површина љуштења премашује стандардне захтеве. Његова макро морфологија је приказана на слици 1.
1.2 Упоредна анализа премаза пре и после употребе
У циљу даље анализе узрока љуштења лисне превлаке, сервисни листови су упоређени са новим листовима исте серије, а компоненте премаза и микроструктура врхова лопатица и средњих делова сваког листа упоређене су и анализиране према листу. позиције приказане на слици 2.
1) Поређење макро морфологије листа. Сервисно сечиво и ново сечиво су упоређени и посматрани, а морфологија је приказана на слици 3. Огуљивање премаза сервисног сечива је углавном концентрисано на улазној и излазној ивици сечива близу врха сечива.
2) Анализа хемијског састава. Узорци су узети са врха сечива и средине тела сечива, а металографски узорци су припремљени након врућег мозаика. Према деловима за детекцију приказаним на слици 2, компоненте премаза на сваком делу сечива су анализиране енергетским спектром. Резултати су показали да је садржај главног елемента у доњем слоју ољуштених листова у основи исти као и у истој серији неинсталираних листова, али није било очигледне разлике у садржају главног елемента у површинском слоју.
3) Анализа морфологије премаза. Металографски узорци су посматрани скенирајућим електронским микроскопом, а резултати су приказани на слици 4. Са слике се види да је доњи слој сечива на коме се љушти премаз нетакнут, а на дну остаје нешто ткива површинског слоја. слој. Премаз је прекинут од корена површинског слоја стубастог кристала, а између површинског слоја и доњег слоја постоји око 1 μм ТГО слој. Даље, анализирана је комплетна структура превлаке на различитим позицијама сечива, а микроскопска морфологија од улазне ивице до издувне ивице уочена је у средњем делу сечива. На улазној ивици средњег дела сечива, цилиндрични кристал површинског слоја је напукао дуж корена, што указује да превлака почиње да се љушти на врху сечива, а прелом се протеже до средине сечива. . С друге стране, стубнасте кристалне структуре површинског слоја на задњој страни листа и издувној ивици су груписане заједно, а не у перастој дистрибуцији, размак између стубастих кристала није очигледан, а корен стубастог кристала је лабавији од врх.
Скенирајућа електронска микроскопија је урађена на различитим позицијама неинсталираних лопатица исте серије, а резултати су приказани на слици 5. Као што се види са слике 5, структура превлаке новоизрађених листова је иста као и ољуштених листова. . Горњи крај стубастог кристала је густо распоређен, а структура површинског слоја формирана је слагањем слојева. Између површинског слоја и доњег слоја постоји очигледан ТГО слој, а дебљина је око 1 μм. Постојање ТГО слоја између везног слоја и керамичког слоја на сечиву указује на то да током таложења керамичког слоја у пећи постоји одређена количина О, која промовише формирање ТГО слоја, и степен вакуума пећ можда не испуњава стандардне захтеве, тако да се ТГО слој прво формира на споју доњег слоја и површинског слоја. У исто време, површинска керамичка пукотина дуж стубастог кристала постоји и на врху сечива.
Процес наношења термичке баријере лопатице је следећи: предтретман површине лопатице → база за таложење вишелучне јонске плоче → вакуумска дифузија → ултразвучно чишћење → површински слој наношења вакуумским електронским снопом. Током његове обраде, и метални везивни слој и керамички слој се таложе под вакуумом, тако да ТГО слој дебљине око 1 μм не би требало да се производи између слоја везивања и керамичког слоја. Постојећи процес припреме превлаке термичке баријере не садржи ТГО слој за детекцију ткива, тако да је потребно детаљно демонстрирати утицај ТГО слоја насталог у процесу припреме на перформансе и век трајања превлаке термо баријере, тако да је овде није потребно улазити у детаље. Међутим, ако степен вакуума у пећи не испуњава услове, структура и својства керамичке површине могу утицати на радни век топлотне баријере премаза, што је потврђено експериментима у овој студији.
1.3 Тест микротврдоће
Испитивана је тврдоћа керамичке површине две врсте сечива, а резултати су приказани у табели 1. Може се видети да нема значајне разлике у вредности тврдоће керамичке површине обложене пилинг сечива и да деинсталираног сечива у истој серији, што указује да се вредност тврдоће сечива у истој серији не мења значајно пре и после употребе.
1.4 Верификациони тест
Керамички слој термичке баријере премаза се изводи у процесу физичког таложења електронским снопом. ЗрО2 се загрева у вакуумској пећи док не испари из ингота, а затим се полако таложи на површини сечива. Облик и дебљина раста керамичког слоја се обезбеђују контролисањем параметара као што су струја, степен вакуума и време таложења у вакуум пећи. Након прегледа процеса, утврђено је да постоје записи о замени пиштољске жице или уља за механичку пумпу у вакуум пећи, што ће директно утицати на степен вакуума вакуумске пећи, а затим утицати на раст стубних кристала керамичког премаза. Да би се проверило да ли степен вакуума утиче на морфологију и својства цилиндричних кристала керамичког слоја, врше се испитивања таложења различитих керамичких слојева коришћењем параметара процеса у табели 2.
Превлака листа је посматрана електронским микроскопом под два услова. Резултати показују да под истим напоном, струјом и временом таложења, када је степен вакуума у пећи 5×10−4 Торр, керамички стубасти кристали изгледају перасто или попут пшенице, а између слоја везивања нема ТГО слоја. и керамички слој (слика 6а). Када је степен вакуума био 5×10−3 Торр, стубасти кристали керамичке превлаке су били груби и нису показивали облик попут перја или шиљака. Микроструктура корена стубастих кристала била је релативно лабава у поређењу са оном на крају, а микроструктура је била слична оној код неинсталираних листова, а између слоја везивања и керамичког слоја постојао је ТГО слој (Слика 6б) . Истовремено, испитивана је тврдоћа керамичког премаза под два степена вакуума, а резултати су показали да је тврдоћа керамичког слоја већа испод степена вакуума 5×10−4 Торр, док је тврдоћа керамичког слоја већа под вакуумским степеном 5×10−4 Торр. депонована под вакуумским степеном 5×10−3 Торр је била нижа (Табела 3).
2. Закључак
1) Керамички слој неисправног сечива је сломљен од корена површинског слоја, а структура корена стубастог кристала је лабава, а средњи и горњи део стубастог кристала су груписани и распоређени у слојевима. Вредност тврдоће је нижа од оне код нормалног керамичког слоја, а структура се значајно разликује од оне код нормалног керамичког обложеног стубастог кристала.
2) Степен вакуума има директан утицај на морфологију раста керамичког премаза. Када степен вакуума испуни стандардне захтеве, стубасти кристали расту као перје или уши. Када је степен вакуума нижи од стандардних захтева, корен стубастог кристала је лабав, средњи и горњи део стубастог кристала су густи, а између везног слоја и керамичког слоја постоји очигледан ТГО слој.
3) Неуспех керамичког слоја неисправног сечива да испуни захтеве за употребу узрокован је ненормалним стањем опреме за физичко таложење, што доводи до тога да организација депонованог керамичког слоја не испуњава стандардне захтеве.
