常规热障涂层与厚分段裂纹热障涂层的热机械性能比较

《Results in Surfaces and Interfaces》：Thermomechanical properties of conventional TBC coatings compared with thick segmented-crack TBCs

　　

分段裂纹厚热障涂层（TTBCs）在空气淬火热循环寿命方面比常规热障涂层（TBCs）长2.5倍。热循环过程中孔隙率下降，提高了TBCs和TTBCs的弹性模量。由于热失配，粘附强度随涂层厚度增加而降低。水淬揭示了TTBC的脆弱性，其失效发生在约18次循环后，而TBCs约为34次。TTBCs在高温环境下提供更好的隔热性和抗疲劳性。

本研究针对燃气轮机高温部件用热障涂层（TBC）的性能优化问题，系统比较了常规厚度热障涂层与厚分段裂纹热障涂层（TTBC）的热机械行为。氧化钇稳定氧化锆（YSZ）因其低热导率和高温稳定性被广泛用作TBC材料，但增加涂层厚度虽能提升隔热性能，却会导致粘附强度下降、热失配应力增大以及裂纹扩展等问题。垂直分段裂纹被证实可缓解热应力，然而其与传统TBC在真实服役条件下的热循环寿命差异尚不明确。为此，研究人员在Hastelloy X镍基合金基体上，通过大气等离子喷涂（APS）分别制备了厚度为463±24 μm的常规TBC和厚度为1251±35 μm、含垂直分段裂纹的TTBC，并系统评价了二者的粘附强度、热循环性能、微观结构演变及机械性能变化。该研究成果发表于《Results in Surfaces and Interfaces》。

研究人员采用的主要技术方法包括：利用扫描电子显微镜（SEM）和动态光散射（DLS）表征粉末形貌与粒径分布；使用X射线衍射（XRD）分析涂层物相；按照ASTM C633标准进行拉伸粘附强度测试；采用Knoop压痕法计算弹性模量，并通过Vickers硬度测试绘制截面硬度分布图；热循环测试采用两种模式，即空气淬火（1100℃至室温，每循环10 min）和水淬（25±3℃），失效判据为顶涂层面积剥落超过20%。涂层原料为Amperit 827（7–8 wt%氧化钇稳定氧化锆，粒径16–90 μm）和Amdry 365-2（NiCoCrAlY，粒径38–75 μm），未涉及其他样本队列。

### 3.1 Coatings general evaluation（涂层总体评价）
SEM与DLS显示YSZ粉末呈球形，中位粒径（D₅₀）为66.05 μm。截面SEM表明，通过缩短喷涂距离、降低喷枪速度、提高H₂/Ar比及降低送粉率，TTBC中形成了密度为2裂纹/mm的垂直分段裂纹网络，将涂层分割为200–300 μm的块体，有利于应变容限。XRD分析证实两种涂层均为亚稳态非相变四方相，未检测到单斜相。

### 3.2 Adhesion/cohesion evaluation（粘附/内聚评价）
ASTM C633拉伸测试显示，涂层增厚使粘附强度从30.93±1.33 MPa降至23.37±1.25 MPa，下降约24%，但仍高于15 MPa的验收门槛。断口分析表明，厚涂层失效主要发生在顶涂层（TC）/粘结层（BC）界面，而薄涂层的失效更多出现在BC/基体界面。该现象归因于沉积过程中残余应力的逐层累积、热膨胀系数（CTE）失配以及热生长氧化物（TGO）层的不均匀应力场。

### 3.3 Coating thermomechanical measurements（涂层热机械测量）

#### 3.3.1 Air-quenching（空气淬火）
在1100℃空气淬火热循环中，常规TBC约经1000次循环后在边缘出现唇状剥落，而TTBC在2500次循环后仅发生局部剥落，表明垂直分段裂纹显著延长了热循环寿命。定量图像分析显示，孔隙率因烧结致密化而大幅下降：TTBC从12.5%降至6.1%，TBC从15%降至7.3%。伴随孔隙率降低，两种涂层的弹性模量均上升。硬度分布图表明，循环后顶层涂层的硬度普遍下降，但在局部区域因烧结出现硬度升高现象，同时观察到水平裂纹在TC/TGO界面萌生并扩展，TGO层厚度随循环次数增加而增大。XRD证实循环前后物相保持稳定。

#### 3.3.2 Water quenching（水淬）
水淬条件下，TTBC的平均失效寿命仅为18±2次循环，而常规TBC为34±1次循环。虽然TTBC在缓变热循环中表现优异，但快速冷却在厚涂层内产生更大的贯穿厚度热梯度和瞬态拉应力，诱发TC/BC界面处的早期剥落，暴露出其在极端热冲击下的固有弱点。

综上，分段裂纹TTBC通过垂直裂纹网络有效缓解了热失配应力，在空气淬火条件下展现出优于常规TBC的热循环耐久性，但厚度增加导致的粘附强度下降和TGO生长仍制约其长期可靠性。因此，在实际工程应用中需在隔热性能与机械完整性之间寻求最优厚度平衡。研究结论为：与常规TBC相比，分段裂纹TTBC在空气淬火热循环中具有明显优势，但其长期可靠性仍受厚度相关应力、TGO生长和界面裂纹的制约。