点火抗性热障涂层对钛合金疲劳性能的影响

《Surface and Coatings Technology》：Effect of ignition resistance thermal barrier coatings on the fatigue properties of titanium alloys

热障涂层（TBCs）对钛合金基体疲劳性能的影响及机制研究。通过张应力-张应力疲劳试验发现，TBCs涂层会显著降低TC11钛合金的疲劳寿命，涂层裂纹优先于基体裂纹萌生，其界面结构波动导致ZrO?层应力集中，裂纹通过NiCrAl层扩展至基体，加速疲劳损伤。引入塑性Cr或Ni金属层可有效抑制裂纹扩展，提升涂层及基体疲劳性能。

　　

刘少波|张尧|臧顺来|张扎路

中国西安交通大学航空航天动力系统与等离子体技术国家重点实验室，西安，710049

摘要

耐燃涂层的疲劳性能及其对钛合金基材疲劳性能的影响是限制其应用的关键问题。然而，热障涂层（TBCs）对钛合金疲劳特性的影响及其潜在机制尚未明确。本文研究了具有可磨损膨润土顶层涂层的TBCs的疲劳失效及其对钛合金基材的影响。拉伸-拉伸疲劳试验结果表明，TBCs对TC11的疲劳行为产生了副作用。基于断裂表面、截面形态和电子背散射衍射（EBSD）分析，发现涂层裂纹出现在TC11基材之前。此外，TBCs制备过程导致的界面结构波动在ZrO₂层中产生了应力集中，使得疲劳裂纹起源于ZrO₂层。随后，疲劳裂纹与ZrO₂层中的裂纹合并，穿过NiCrAl层并扩展到基材，加速了基材的疲劳损伤。最后，通过在TBCs中引入延展性Cr或Ni金属层，可以有效抑制ZrO₂层的疲劳裂纹扩展，提高TBCs的耐疲劳性，并减轻TBCs涂层对基材的疲劳损伤。

引言

高性能军用战斗机的快速发展推动了航空发动机向高推重比、高涡轮前温度和低燃油消耗的方向发展，这对航空发动机材料提出了更高的性能要求。例如，钛合金被广泛用于飞机发动机的压气盘、叶片、鼓等部件。然而，由于钛合金的燃点低于其熔点，钛的防火安全性一直是一个国际性挑战，限制了高温钛合金在先进飞机发动机中的广泛应用[[1], [2], [3]]。除了对压气机结构进行阻燃设计外，使用阻燃钛合金[[4,5]]以及在钛合金表面制备耐燃涂层[[6], [7], [8], [9], [10]]也是防止钛火灾的重要方法。通常具有可磨损膨润土顶层涂层的熱障涂层（TBCs）在高温下具有出色的隔热性能，能够抵抗磨损、腐蚀和氧化[[11], [12], [13], [14]]。这些特性使其成为有效的耐燃涂层[[15]]。由于飞机发动机对安全性能有极其严格的要求，任何技术在使用前都必须确保不会影响其安全性能，TBCs也不例外。在TBCs服役过程中，它们会受到循环交变载荷的作用。现有研究主要集中在研究TBCs涂层在金属基材上的疲劳性能[[16,17]]。例如，Vinh Phoi Nguyen等人研究了WC-10?% Co-4?%Cr高速氧燃料（HVOF）涂层和硬铬电镀涂层对AISI 1045钢轴-弯曲试样在循环载荷条件下的疲劳寿命的影响[[18]]。Lyu等人研究了不同TBCs结构设计对燃气轮机叶片疲劳性能的影响[[19]]。同时，研究人员利用有限元模拟（FEM）方法评估了TBCs的疲劳性能[[20]]。例如，Tao等人系统地在大气等离子喷涂TBCs上进行了一轴疲劳试验和拉伸-扭转疲劳试验，并利用FEM研究了疲劳裂纹的起始机制[[21]]。然而，以往的研究忽略了TBCs对钛合金基材疲劳性能的影响及其相关失效机制。因此，研究带有TBCs的钛合金基材的疲劳行为并揭示其潜在机制至关重要。

本文研究了大气等离子喷涂TBCs对钛合金基材疲劳性能及其失效机制的影响。首先，研究了涂有TBCs和未涂TBCs的TC11钛合金基材的疲劳性能，以及涂层存在与否对TC11基材疲劳失效的影响。然后，通过FEM和实验方法揭示了TBCs对钛合金基材疲劳失效的机制。最后，通过引入延展性Cr或Ni层，提高了带有TBCs的钛合金基材的疲劳性能。

材料与涂层制备

本文使用TC11钛合金作为基材材料，表面粗糙度为（Ra）0.2?μm。材料在960?°C退火后空气冷却，其化学成分见表1。TC11钛合金的金相结构如图1(a)所示。电子背散射衍射（EBSD）分析结果如图1(b)所示。TC11基材（红色区域）由约85?%的六方晶系和15?%的立方晶系Ti（绿色区域）组成。晶粒尺寸

涂层性能

图4显示了沉积后的热障涂层的截面形态和厚度特征。在背散射电子模式下，可以观察到涂层内部较暗的层由厚度约为100?μm的NiCrAl组成，而较浅的层对应于厚度约为200?μm的ZrO₂。最顶层是厚度为900?μm的可磨损膨润土层。这三层紧密堆积，具有明显的

结论

本研究揭示了TBCs涂层在拉伸-拉伸载荷下对TC11的疲劳失效机制。可以得出以下结论：

• 1)
  TBCs涂层的引入使TC11钛合金的疲劳寿命从17,740循环降低到2700循环，降低了83％；在低应力下，疲劳强度极限从320?MPa降低到189?MPa，降低了40％。结果表明，TBCs涂层对高应力和低应力下的疲劳性能都有不利影响

CRediT作者贡献声明

刘少波：撰写——原始草稿，正式分析，数据管理。张尧：数据管理。臧顺来：撰写——审稿与编辑，资源协调。张扎路：撰写——审稿与编辑，监督，资源协调，方法论设计，资金申请，正式分析，概念构思。

未引用参考文献

[24]

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了航空航天动力系统与等离子体技术国家重点实验室基金（APSPT202401003）、国家科技重大专项（J2019-VIII-0003-0164）、陕西省科技创新团队（编号：2024RS-CXTD-26）、中央高校基本科研业务费（编号：xzy012024021）以及国家自然科学基金（编号：52405212）的资助。