降低CMAS在热障涂层上附着的机理与方法研究

In the service process of aircraft engine, the surface of the blade thermal barrier coatings may deposit the low melting point oxide layer, the thickness of which is up to several tens microns and the composition of which includes CaO, MgO, Al2O3 and SiO2 (abbreviated “CMAS”). The oxide layer may not only result in the layer-by-layer spalling failure of thermal barrier coatings, but also cause the blade film cooling holes blocking, severely reducing the cooling effectiveness of gas film and even leading to the blade burning loss..In this project, phosphate with oxide weak combination modifying the surface of thermal barrier coatings or doping modification for YSZ will be proposed to reduce the affinity and wettability between CMAS and thermal barrier coating, and thus reduce its adhesion. The surface state of ceramic coating (coating or doping modification, density, roughness, etc.) will be mainly discussed. The bind bond characteristic (affinity), wettability and adhesion strength between CMAS and ceramic coating are studied in detail. By working out the critical scientific questions which include the bind bond characteristic between CMAS and YSZ coating with or without coating or doping modification) and the internal mechanism and the influence mechanism of CMAS adhesive property, the effects of main surface state factors, each weights and their coupling mechanism on CMAS adhesive property will be significantly illustrated, and the methods of reducing the adhesive property between CMAS and ceramic coating surface will be developed. The scientific research will provide a scientific basis to solve the problem of CMAS deposition.

航空发动机服役过程中，在叶片热障涂层表面沉积了厚度可达数十微米的由CaO、MgO、Al2O3和SiO2构成的低熔点复合氧化物层（CMAS），不仅导致热障涂层陶瓷层逐层剥落失效，而且造成叶片气膜冷却孔堵塞，严重降低气膜冷却效果，甚至导致叶片烧损。本申请项目从降低CMAS与热障涂层的键合特性及浸润性、进而降低其附着性的角度出发，提出采用与氧化物具有弱相结合的磷酸盐对陶瓷层表面或对YSZ掺杂改性，重点针对陶瓷层表面状态（表面涂覆或掺杂改性、致密性、粗糙度等）对CMAS与热障涂层的键合特性、浸润性及其附着强度的影响开展研究，通过解决CMAS与YSZ（有无表面涂覆或掺杂改性）的键合特性和CMAS附着性之间的内在机制及影响机理等关键科学问题，阐明影响CMAS附着性的主要表面状态因素及权重、及其耦合作用机制，探索降低CMAS与热障涂层表面附着性的方法途径，为解决CMAS沉积问题提供科学依据。

热障涂层作为高性能航空发动机所采用的关键技术，在降低叶片表面温度、提高发动机推力与效率、延长热端部件服役寿命、降低油耗等方面发挥了显著的作用。但是随着航空发动机服役温度的不断提高，热障涂层的使用也出现了一系列的问题。近年来，外来沉积物导致的涂层失效问题引发了大家的广泛关注。该沉积物主要成分为CaO、MgO、Al2O3以及SiO2（简称CMAS），熔点在1230 ℃ ~ 1250 ℃左右，其熔融后会与涂层材料发生高度粘结，并容易渗透进入涂层间隙，导致涂层的应变容限降低，进而加速热障涂层的失效。.本项目通过CMAS在不同晶体结构材料和相同晶体结构不同化学组成热障涂层候选材料表面的粘附铺展行为的研究，发现CMAS在热障涂层候选陶瓷材料表面均完全浸润，即表面键合性能只对CMAS在涂层材料表面的粘附铺展过程有影响，但是不会影响其最终粘附铺展的结果；研究发现CMAS在YSZ单晶片上粘附铺展行为具有各向异性，但是其主要是由于CMAS在不同取向YSZ单晶片上的腐蚀形貌有所区别，倒梯形的腐蚀形貌较三角形形貌（类EB-PVD涂层表面的屋脊结构）在阻碍CMAS粘附铺展方面具有优异性，揭示出晶体表面腐蚀形貌对失效行为的影响效果要大于表面能，及材料表面的键合性能；通过调控EB-PVD工艺参数，研究了涂层微观组织结构对CMAS导致的失效行为的影响，从涂层表面构建入手探索降低CMAS附着行为的方法途径，为解决CMAS沉积问题提供了科学的参考依据；最后，研究了抗CMAS粘附铺展材料的CMAS腐蚀抗性，研究发现陶瓷材料与CMAS熔体之间发生化学反应，在界面处生成高熔点阻渗层，也能有效延缓涂层失效行为的发生。综上，本项目从物理和化学两方面对预防CMAS导致的涂层失效均提供了有效指导：物理方面，从涂层的表面构建入手，通过改变EB-PVD对涂层的微观结构进行调控，使其具有防CMAS渗透的羽毛状枝晶结构，有效减缓了CMAS熔体的渗透速率；化学方面，研究发现Ti，Al可以促进CMAS内部快速结晶，生成高熔点结晶相，La、Gd等稀土元素可以与CMAS快速反应在界面处生成硅酸盐氧基磷灰石相阻止CMAS熔体对涂层的进一步腐蚀。