固体颗粒冲击与热障涂层冲蚀损伤机理的微纳尺度模拟研究

《Surface and Coatings Technology》：Damage mechanisms in solid particle impact and erosion testing of thermal barrier coatings

本文推荐了一种利用循环纳米冲击和随机空间分布冲击测试来模拟热障涂层（TBC）固体颗粒冲蚀行为的新方法。研究证实该方法可准确复现7YSZ和GZO两种EB-PVD涂层在冲蚀测试中的主要损伤机制（如致密化、柱状结构破裂等），为快速筛选高抗冲蚀性TBC材料提供了有效解决方案。

　　

亮点

通过聚焦离子束铣削揭示了YSZ冲击坑下方的致密化现象，以及致密层与未致密化柱状结构之间的亚表面裂纹。在GZO的冲击和冲蚀试验中观察到多个柱状结构上的裂纹和柱状结构的破碎。循环和随机空间分布的微冲击试验重现了TBC冲蚀速率的明显差异，GZO的抗冲蚀性要差得多。

循环纳米冲击测试

图4(a)和4(b)分别显示了7YSZ和GZO在5–50 mN载荷下的典型冲击深度随冲击次数变化曲线。两种TBC的深度都随着持续冲击而逐渐增加。在一些测试中，深度的逐渐增加会被约0.5–1 μm的孤立深度减小所打断，例如图4中GZO在5 mN载荷下冲击7次后或7YSZ在20 mN载荷下冲击11次后。80%的测试显示出深度减小，尽管许多减小的幅度要小得多。测试间的变异性和高表面粗糙度使得难以建立明确的载荷依赖性，但GZO在所有测试载荷下都显示出更深的最终冲击深度和更快的失效，这与它在冲蚀测试中更高的材料损失率一致。

随机空间分布冲击测试

在随机空间分布冲击测试中，每个冲击都发生在样品表面的一个新位置。这更好地模拟了固体颗粒冲蚀中发生的多重冲击的统计分布。在这些测试中，也观察到了与循环冲击测试中相似的损伤机制，即YSZ的致密化和GZO的柱状结构破裂。

讨论

TBC在进行冲蚀测试时无需任何沉积后表面处理。为了进行冲蚀模拟，理想情况是能够在不需表面抛光的情况下对TBC进行纳米和微米冲击测试，因为抛光可能导致显著的涂层厚度减少和/或不必要的机械性能改变。因此，尽管TBC表面粗糙度较高，本研究仍在沉积后状态下对其进行了测试。TBC的高表面粗糙度增加了测试结果的分散性，但主要趋势和损伤机制仍然清晰可辨。冲击测试成功复现了冲蚀测试中的主要机制和表面形貌，尽管冲击测试中出现了更多的压实现象，这可能是由于侵蚀剂/探针几何形状的差异所致。

结论

冲击测试能够复现冲蚀测试中的主要机制和表面形貌，尽管冲击测试中的压实现象更多。聚焦离子束铣削揭示了7YSZ冲击坑下方的致密化以及致密层与未致密化柱状结构之间的亚表面裂纹。在GZO的冲击和冲蚀试验中观察到跨越多柱的裂纹和柱状结构的破碎。TBC冲蚀速率的明显差异（GZO的抗冲蚀性差得多）在循环和随机空间分布的微冲击试验中得到了重现。