Με στόχο το φαινόμενο της αποφλοίωσης επίστρωσης θερμικού φραγμού των πτερυγίων του στροβίλου που λειτουργούν κινητήρα κατά τη δοκιμαστική λειτουργία, αυτή η μελέτη ανακάλυψε τη βασική αιτία του ξεφλουδίσματος της επίστρωσης κατά τη χρήση του προϊόντος μέσω μακροσκοπικής παρατήρησης, ανάλυσης μορφολογίας ηλεκτρονικού μικροσκοπίου σάρωσης και ανάλυσης μικροσυστατικών φάσματος ενέργειας, συνδυασμένα με τα αποτελέσματα της έρευνας της όλης διαδικασίας της διαδικασίας, και να υποβάλει προτάσεις για τη βελτίωση της τεχνολογίας επεξεργασίας των επόμενων εξαρτημάτων.
Η επίστρωση θερμικού φραγμού φυσικής εναπόθεσης ατμών δέσμης ηλεκτρονίων (EB-PVD) έχει χρησιμοποιηθεί ευρέως στα πτερύγια αεροκινητήρων και έχει γίνει μια απαραίτητη βασική τεχνολογία για τα πτερύγια αεροκινητήρων. Η τεχνολογία EB-PVD είναι μια τεχνολογία που χρησιμοποιεί μια δέσμη ηλεκτρονίων υψηλής ενεργειακής πυκνότητας για τη θέρμανση του υλικού που πρόκειται να εξατμιστεί σε ένα υδρόψυκτο χωνευτήριο σε περιβάλλον κενού, έτσι ώστε να φτάσει σε κατάσταση τηγμένης αεριοποίησης και να εξατμιστεί στο υπόστρωμα υπό τη δράση ενός εκτρέποντος μαγνητικού πεδίου για να συμπυκνωθεί σε μια επίστρωση. Υπάρχουν πολλά είδη δομών επίστρωσης θερμικού φραγμού EB-PVD, συμπεριλαμβανομένης της δομής διπλής στρώσης, της δομής κλίσης και της δομής πολλαπλών στρωμάτων, από τις οποίες η πιο ευρέως χρησιμοποιούμενη είναι η επίστρωση θερμικού φραγμού διπλής στρώσης. Η επίστρωση θερμικού φραγμού διπλής στρώσης αποτελείται από ένα κεραμικό επάνω στρώμα και ένα μεταλλικό στρώμα συγκόλλησης. Το κεραμικό στρώμα παίζει κυρίως το ρόλο της θερμομόνωσης και το μεταλλικό στρώμα συγκόλλησης παίζει κυρίως το ρόλο της ανακούφισης της ασυμφωνίας θερμικής διαστολής μεταξύ της μήτρας και του κεραμικού στρώματος και βελτιώνει την αντίσταση της μήτρας στη διάβρωση οξείδωσης υψηλής θερμοκρασίας. Στο πραγματικό περιβάλλον εργασίας, η διεπαφή μεταξύ του στρώματος δεσμού και του κεραμικού στρώματος θα σχηματίσει ένα στρώμα οξειδίου, το κύριο συστατικό του οποίου είναι -Al2O3, εμποδίζοντας έτσι την περαιτέρω διάχυση των στοιχείων Ο στην επίστρωση. Η κύρια πρόκληση που αντιμετωπίζει η εφαρμογή των επιστρώσεων θερμικού φραγμού είναι η ανθεκτικότητα της επίστρωσης, ιδιαίτερα η αντίσταση της επίστρωσης στο ξεφλούδισμα, η οποία επηρεάζεται από πολλούς παράγοντες, όπως η κατάσταση τάσης στο κεραμικό στρώμα, η μικροδομή του στρώματος δεσμού, το πάχος και την κατάσταση τάσης του στρώματος TGO και την αντίσταση σε θραύση των διαφόρων διεπαφών μεταξύ του στρώματος δεσμού και του TGO. Επί του παρόντος, αναγνωρίζεται ότι η οξείδωση του στρώματος δεσμού είναι ο βασικός παράγοντας για τον προσδιορισμό της διάρκειας ζωής της επίστρωσης θερμικού φραγμού.
1. Διαδικασία δοκιμής και αποτελέσματα
1.1 Μακροσκοπική παρατήρηση της μορφολογίας απολέπισης της επικάλυψης
9 ώρες μετά τη δοκιμή του κινητήρα, διαπιστώθηκε ότι η επίστρωση στην επιφάνεια της λεπίδας εργασίας ήταν θρυμματισμένη και η περιοχή θρυμματισμού υπερέβαινε τις τυπικές απαιτήσεις. Η μακρομορφολογία του φαίνεται στο σχήμα 1.
1.2 Συγκριτική ανάλυση της επίστρωσης πριν και μετά τη χρήση
Προκειμένου να αναλυθούν περαιτέρω τα αίτια του ξεφλουδίσματος της επικάλυψης των φύλλων, τα φύλλα σέρβις συγκρίθηκαν με τα νέα φύλλα της ίδιας παρτίδας και τα στοιχεία επικάλυψης και η μικροδομή των άκρων των λεπίδων και των μεσαίων τμημάτων κάθε φύλλου συγκρίθηκαν και αναλύθηκαν σύμφωνα με το φύλλο θέσεις που φαίνονται στο σχήμα 2.
1) Σύγκριση μακρομορφολογίας φύλλων. Η λεπίδα υπηρεσίας και η νέα λεπίδα συγκρίθηκαν και παρατηρήθηκαν, και η μορφολογία φαίνεται στο Σχήμα 3. Το ξεφλούδισμα της επικάλυψης της λεπίδας υπηρεσίας συγκεντρώνεται κυρίως στην άκρη εισόδου και στην άκρη εξαγωγής της λεπίδας κοντά στο άκρο της λεπίδας.
2) Ανάλυση χημικής σύνθεσης. Ελήφθησαν δείγματα από την άκρη της λεπίδας και το μέσο του σώματος της λεπίδας και παρασκευάστηκαν μεταλλογραφικά δείγματα μετά από θερμό Μωσαϊκό. Σύμφωνα με τα μέρη ανίχνευσης που φαίνονται στο Σχήμα 2, τα στοιχεία επικάλυψης σε κάθε τμήμα της λεπίδας αναλύθηκαν με ενεργειακό φάσμα. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι το περιεχόμενο του κύριου στοιχείου στο κάτω στρώμα των αποφλοιωμένων φύλλων ήταν βασικά το ίδιο με αυτό στην ίδια παρτίδα μη εγκατεστημένων φύλλων, αλλά δεν υπήρχε εμφανής διαφορά στο περιεχόμενο του κύριου στοιχείου στο επιφανειακό στρώμα.
3) Ανάλυση μορφολογίας επικάλυψης. Μεταλλογραφικά δείγματα παρατηρήθηκαν με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης και τα αποτελέσματα φαίνονται στο Σχήμα 4. Μπορεί να φανεί από το σχήμα ότι το κάτω στρώμα της λεπίδας όπου αποκολλάται η επίστρωση είναι άθικτο και λίγος ιστός επιφανειακής στιβάδας παραμένει στον πυθμένα στρώμα. Η επίστρωση είναι σπασμένη από τη ρίζα του επιφανειακού στρώματος κιονοειδούς κρυστάλλου και υπάρχει περίπου 1 μm στρώμα TGO μεταξύ του επιφανειακού στρώματος και του κάτω στρώματος. Περαιτέρω, αναλύθηκε η πλήρης δομή επικάλυψης σε διαφορετικές θέσεις της λεπίδας και η μικροσκοπική μορφολογία από το άκρο εισόδου έως το άκρο εξαγωγής παρατηρήθηκε στο μεσαίο τμήμα της λεπίδας. Στο άκρο εισόδου του μεσαίου τμήματος της λεπίδας, ο κυλινδρικός κρύσταλλος του επιφανειακού στρώματος έχει ραγίσει κατά μήκος της ρίζας, υποδεικνύοντας ότι η επίστρωση αρχίζει να αποκολλάται στην άκρη της λεπίδας και το κάταγμα εκτείνεται μέχρι το μέσο της λεπίδας . Από την άλλη πλευρά, οι δομές στηλών κρυστάλλων της επιφανειακής στιβάδας στο πίσω μέρος του φύλλου και η άκρη της εξάτμισης συγκεντρώνονται μεταξύ τους, όχι σε φτερωτή κατανομή, η απόσταση μεταξύ των στηλών κρυστάλλων δεν είναι εμφανής και η ρίζα του στηλοειδούς κρυστάλλου είναι πιο χαλαρή από η άκρη.
Πραγματοποιήθηκε ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης σε διαφορετικές θέσεις απεγκαταστημένων λεπίδων της ίδιας παρτίδας και τα αποτελέσματα φαίνονται στο Σχήμα 5. Όπως φαίνεται από το Σχήμα 5, η δομή επικάλυψης των πρόσφατα κατασκευασμένων φύλλων είναι η ίδια με αυτή των αποφλοιωμένων φύλλων . Το άνω άκρο του κολονοειδούς κρυστάλλου είναι πυκνά κατανεμημένο και η δομή του επιφανειακού στρώματος σχηματίζεται με στοίβαξη στρωμάτων. Υπάρχει ένα εμφανές στρώμα TGO μεταξύ του επιφανειακού στρώματος και του κάτω στρώματος και το πάχος είναι περίπου 1μm. Η ύπαρξη στρώματος TGO μεταξύ του συνδετικού στρώματος και του κεραμικού στρώματος στη λεπίδα υποδηλώνει ότι κατά την εναπόθεση του κεραμικού στρώματος, υπάρχει μια ορισμένη ποσότητα Ο στον κλίβανο, η οποία προάγει τον σχηματισμό του στρώματος TGO και τον βαθμό κενού ο κλίβανος μπορεί να μην πληροί τις τυπικές απαιτήσεις, έτσι ώστε το στρώμα TGO να σχηματίζεται πρώτα στη διασταύρωση του κάτω στρώματος και του επιφανειακού στρώματος. Ταυτόχρονα, η επιφανειακή κεραμική ρωγμή κατά μήκος του κιονοειδούς κρυστάλλου υπάρχει και στην άκρη της λεπίδας.
Η διαδικασία της επίστρωσης με θερμικό φράγμα λεπίδας έχει ως εξής: προεπεξεργασία επιφάνειας λεπίδας → βάση εναπόθεσης επιμετάλλωσης πολλαπλών τόξων → διάχυση κενού → καθαρισμός με υπερήχους → επιφανειακό στρώμα εναπόθεσης δέσμης ηλεκτρονίων κενού. Κατά τη διάρκεια της επεξεργασίας του, τόσο το συνδετικό στρώμα μετάλλου όσο και το κεραμικό στρώμα εναποτίθενται υπό κενό, επομένως δεν πρέπει να παράγεται στρώμα TGO πάχους περίπου 1 μm μεταξύ του στρώματος συγκόλλησης και του κεραμικού στρώματος. Η υπάρχουσα διαδικασία προετοιμασίας επίστρωσης θερμικού φραγμού δεν περιέχει το στρώμα TGO για ανίχνευση ιστού, επομένως η επίδραση του στρώματος TGO που δημιουργείται στη διαδικασία προετοιμασίας στην απόδοση και τη διάρκεια ζωής της επικάλυψης θερμικού φραγμού πρέπει να αποδειχθεί λεπτομερώς, επομένως δεν χρειάζεται να μπω σε λεπτομέρειες εδώ. Ωστόσο, εάν ο βαθμός κενού στον κλίβανο δεν πληροί τις απαιτήσεις, η δομή και οι ιδιότητες της κεραμικής επιφάνειας μπορεί να επηρεάσουν τη διάρκεια ζωής της επίστρωσης θερμικού φραγμού, η οποία επαληθεύεται από πειράματα σε αυτή τη μελέτη.
1.3 Δοκιμή μικροσκληρότητας
Η σκληρότητα της κεραμικής επιφάνειας των δύο ειδών λεπίδων δοκιμάστηκε αντίστοιχα και τα αποτελέσματα φαίνονται στον Πίνακα 1. Μπορεί να φανεί ότι δεν υπάρχει σημαντική διαφορά στην τιμή σκληρότητας της κεραμικής επιφάνειας της επικαλυμμένης λεπίδας αποφλοίωσης και ότι της απεγκατεστημένης λεπίδας στην ίδια παρτίδα, υποδεικνύοντας ότι η τιμή σκληρότητας της λεπίδας στην ίδια παρτίδα δεν αλλάζει σημαντικά πριν και μετά τη χρήση.
1.4 Δοκιμή επαλήθευσης
Το κεραμικό στρώμα της επίστρωσης θερμικού φραγμού πραγματοποιείται υπό τη διαδικασία φυσικής εναπόθεσης δέσμης ηλεκτρονίων. Το ZrO2 θερμαίνεται σε κλίβανο κενού μέχρι να εξατμιστεί από το πλινθίο και στη συνέχεια εναποτίθεται αργά στην επιφάνεια της λεπίδας. Το σχήμα και το πάχος της ανάπτυξης του κεραμικού στρώματος διασφαλίζονται με τον έλεγχο παραμέτρων όπως το ρεύμα, ο βαθμός κενού και ο χρόνος απόθεσης στον κλίβανο κενού. Μετά από ανασκόπηση της διαδικασίας, διαπιστώθηκε ότι υπάρχουν αρχεία αντικατάστασης σύρματος πιστολιού ή λαδιού μηχανικής αντλίας σε κλίβανο κενού, το οποίο θα επηρεάσει άμεσα τον βαθμό κενού του κλιβάνου κενού και στη συνέχεια θα επηρεάσει την ανάπτυξη των στηλών κρυστάλλων κεραμικής επικάλυψης. Προκειμένου να επαληθευτεί εάν ο βαθμός κενού επηρεάζει τη μορφολογία και τις ιδιότητες των κυλινδρικών κρυστάλλων του κεραμικού στρώματος, οι δοκιμές εναπόθεσης διαφορετικών κεραμικών στρωμάτων πραγματοποιούνται χρησιμοποιώντας τις παραμέτρους διεργασίας στον Πίνακα 2.
Η επικάλυψη των φύλλων παρατηρήθηκε με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο υπό δύο συνθήκες. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι κάτω από την ίδια τάση, ρεύμα και χρόνο εναπόθεσης, όταν ο βαθμός κενού στον κλίβανο είναι 5×10−4 Torr, οι κεραμικοί στηλώδεις κρύσταλλοι φαίνονται φτερωτοί ή σαν σίτος και δεν υπάρχει στρώμα TGO μεταξύ του στρώματος σύνδεσης και το κεραμικό στρώμα (ΣΧ. 6α). Όταν ο βαθμός κενού ήταν 5×10−3 Torr, οι στηλώδεις κρύσταλλοι της κεραμικής επίστρωσης ήταν χονδροειδείς και δεν έδειχναν σχήμα σαν φτερό ή ακίδα. Η μικροδομή της ρίζας των στηλών κρυστάλλων ήταν σχετικά χαλαρή σε σύγκριση με αυτή του άκρου και η μικροδομή ήταν παρόμοια με αυτή των μη εγκατεστημένων φύλλων και υπήρχε ένα στρώμα TGO μεταξύ του συνδετικού στρώματος και του κεραμικού στρώματος (Εικόνα 6β) . Ταυτόχρονα, δοκιμάστηκε η σκληρότητα της κεραμικής επίστρωσης κάτω από τους δύο βαθμούς κενού και τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η σκληρότητα του κεραμικού στρώματος ήταν υψηλότερη κάτω από το βαθμό κενού 5×10−4 Torr, ενώ η σκληρότητα του κεραμικού στρώματος που εναποτέθηκε κάτω από το βαθμό κενού 5×10−3 Torr ήταν χαμηλότερος (Πίνακας 3).
2. Συμπέρασμα
1) Το κεραμικό στρώμα της ελαττωματικής λεπίδας σπάει από τη ρίζα του επιφανειακού στρώματος και η δομή της ρίζας του κιονοειδούς κρυστάλλου είναι χαλαρή και το μεσαίο και το άνω μέρος του κιονοειδούς κρυστάλλου συγκεντρώνονται και κατανέμονται σε στρώματα. Η τιμή σκληρότητας είναι χαμηλότερη από αυτή του κανονικού κεραμικού στρώματος και η δομή είναι σημαντικά διαφορετική από αυτή του κανονικού κολονοειδούς κρυστάλλου με επικάλυψη κεραμικής.
2) Ο βαθμός κενού έχει άμεση επίδραση στη μορφολογία ανάπτυξης της κεραμικής επίστρωσης. Όταν ο βαθμός κενού πληροί τις τυπικές απαιτήσεις, οι στηλώδεις κρύσταλλοι μεγαλώνουν σαν φτερά ή αυτιά. Όταν ο βαθμός κενού είναι χαμηλότερος από τις τυπικές απαιτήσεις, η ρίζα του κολονοειδούς κρυστάλλου είναι χαλαρή, το μεσαίο και το πάνω μέρος του στηλοειδούς κρυστάλλου είναι πυκνά και υπάρχει ένα εμφανές στρώμα TGO μεταξύ του στρώματος σύνδεσης και του κεραμικού στρώματος.
3) Η αποτυχία του κεραμικού στρώματος της ελαττωματικής λεπίδας να πληροί τις απαιτήσεις χρήσης προκαλείται από την ανώμαλη κατάσταση του εξοπλισμού φυσικής εναπόθεσης, με αποτέλεσμα η οργάνωση του εναποτιθέμενου κεραμικού στρώματος να μην πληροί τις τυπικές απαιτήσεις.
