Analisis punca pengelupasan salutan penghalang haba pada bilah turbin enjin udara

Mengarah kepada fenomena pengelupasan salutan penghalang terma pada enjin yang sedang beroperasi bilah turbin Semasa ujian dijalankan, kajian ini menemui punca utama pengelupasan salutan semasa penggunaan produk melalui pemerhatian makroskopik, analisis morfologi mikroskop elektronimbas dan analisis mikrokomponen spektrum tenaga, digabungkan dengan keputusan siasatan keseluruhan proses, dan mengemukakan cadangan untuk penambahbaikan teknologi pemprosesan bahagian-bahagian seterusnya.

Salutan penghalang terma melalui pengendapan wap fizikal sinaran elektron (EB-PVD) telah digunakan secara meluas pada bilah enjin udara, dan telah menjadi teknologi utama yang tidak dapat digantikan untuk bilah enjin udara. Teknologi EB-PVD ialah teknologi yang menggunakan sinaran elektron berketumpatan tenaga tinggi untuk memanaskan bahan yang akan diuapkan ke dalam kuali penangki yang disejukkan dengan air dalam persekitaran vakum, supaya ia mencapai keadaan pengagian cair, dan menguap ke atas substrat di bawah tindakan medan magnet penyimpang untuk mengondensasi menjadi salutan. Terdapat banyak jenis struktur salutan penghalang haba EB-PVD, termasuk struktur dua lapisan, struktur gradien dan struktur pelbagai lapisan, di mana yang paling meluas digunakan ialah salutan penghalang haba dua lapisan. Salutan penghalang haba dua lapisan terdiri daripada lapisan atas seramik dan lapisan pengikat logam. Lapisan seramik memainkan peranan utama penebat haba, manakala lapisan pengikat logam memainkan peranan utama mengurangkan ketidakpadanan pengembangan terma antara matriks dan lapisan seramik, serta meningkatkan ketahanan matriks terhadap kakisan oksida pada suhu tinggi. Dalam persekitaran kerja sebenar, antara muka antara lapisan pengikat dan lapisan seramik akan membentuk lapisan oksida, yang komponen utamanya ialah α-Al2O3, sekali gus menghalang penyerapan lanjut unsur O ke dalam salutan. Cabaran utama yang dihadapi dalam aplikasi salutan penghalang haba ialah ketahanan salutan, terutamanya ketahanan salutan terhadap pelepasan serpihan, yang dipengaruhi oleh banyak faktor, seperti keadaan tegasan dalam lapisan seramik, mikrostruktur lapisan pengikat, ketebalan dan keadaan tegasan lapisan TGO, dan ketahanan retakan antara antara muka yang berbeza antara lapisan pengikat dan TGO. Pada masa ini, diiktiraf bahawa pengoksidaan lapisan pengikat adalah faktor utama yang menentukan jangka hayat salutan penghalang haba.

1. Uji proses dan keputusan

1.1 Pengamatan makroskopik morfologi pengelupasan salutan

9 jam selepas ujian enjin, didapati salutan pada permukaan bilah kerja mengelupas, dan kawasan mengelupas melebihi keperluan piawaian. Morfologi makronya ditunjukkan dalam Rajah 1.

1.2 Analisis perbandingan salutan sebelum dan selepas penggunaan

Untuk menganalisis dengan lebih lanjut punca pengelupasan salutan daun, daun perkhidmatan dibandingkan dengan daun baru daripada kumpulan yang sama, dan komponen salutan serta mikrostruktur hujung helaian dan bahagian tengah setiap daun dibandingkan dan dianalisis mengikut kedudukan daun yang ditunjukkan dalam Rajah 2.

1) Perbandingan makromorfologi daun. Bilah perkhidmatan dan bilah baru dibandingkan dan diperhatikan, dan morfologinya ditunjukkan dalam Rajah 3. Pengelupasan salutan pada bilah perkhidmatan terutamanya tertumpu di tepi masuk dan tepi ekzos bilah berhampiran hujung bilah.

2) Analisis komposisi kimia. Sampel diambil dari hujung bilah dan bahagian tengah badan bilah, dan sampel metallografi disediakan selepas Mosaic panas. Menurut bahagian pengesanan yang ditunjukkan dalam Rajah 2, komponen salutan pada setiap bahagian bilah dianalisis menggunakan spektrum tenaga. Keputusan menunjukkan bahawa kandungan unsur utama dalam lapisan bawah daun yang dikupas pada dasarnya sama dengan kandungan dalam daun yang tidak dipasang pada kumpulan yang sama, tetapi tiada perbezaan ketara dalam kandungan unsur utama pada lapisan permukaan.

3) Analisis morfologi salutan. Sampel metalografik diperhatikan menggunakan mikroskop elektronimbas, dan hasilnya ditunjukkan dalam Rajah 4. Boleh dilihat daripada rajah bahawa lapisan bawah bilah di mana salutan terkelupas masih utuh, dan beberapa tisu lapisan permukaan masih kekal pada lapisan bawah. Salutan terputus dari akar kristal kolumni lapisan permukaan, dan terdapat lapisan TGO kira-kira 1 μm antara lapisan permukaan dan lapisan bawah. Selain itu, struktur salutan lengkap di pelbagai kedudukan bilah dianalisis, dan morfologi mikroskopik dari tepi masuk hingga tepi keluar diperhatikan di bahagian tengah bilah. Pada tepi masuk bahagian tengah bilah, kristal silinder lapisan permukaan telah retak di sepanjang akarnya, menunjukkan bahawa salutan mula mengelupas di hujung bilah, dan retakan itu merebak ke tengah bilah. Sebaliknya, struktur kristal kolumni lapisan permukaan di bahagian belakang bilah dan tepi ekzos berkumpul bersama, tidak tersebar secara berambut, jarak antara kristal kolumni tidak ketara, dan akar kristal kolumni lebih longgar berbanding hujungnya.

Mikroskopi elektronimbas telah dijalankan pada pelbagai kedudukan bilah yang sama yang telah dipasang dan kemudian dipasang semula, dan hasilnya ditunjukkan dalam Rajah 5. Seperti yang dapat dilihat dalam Rajah 5, struktur salutan daun yang baru dibuat adalah sama seperti daun yang telah dikupas. Bahagian atas kristal kolumner tersebar dengan padat, dan struktur lapisan permukaan terbentuk melalui susunan lapisan. Terdapat lapisan TGO yang jelas di antara lapisan permukaan dan lapisan bawah, dengan ketebalan kira-kira 1μm. Keberadaan lapisan TGO di antara lapisan pengikat dan lapisan seramik pada bilah menunjukkan bahawa semasa pengendapan lapisan seramik, terdapat sejumlah O dalam ketuhar, yang menggalakkan pembentukan lapisan TGO, dan tahap vakum ketuhar mungkin tidak memenuhi keperluan piawaian, sehingga lapisan TGO terbentuk terlebih dahulu di persimpangan lapisan bawah dan lapisan permukaan. Pada masa yang sama, retakan seramik permukaan di sepanjang kristal kolumner juga wujud di hujung bilah.

Proses pelapisan penghalang terma bilah adalah seperti berikut: rawatan permukaan bilah → pelapisan pangkalan ion pelbagai busur → pengudaraan vakum → pembersihan ultrasonik → pelapisan lapisan permukaan sinaran elektron vakum. Semasa prosesnya, kedua-dua lapisan pengikat logam dan lapisan seramik disalut di bawah vakum, jadi lapisan TGO setebal kira-kira 1 μm tidak sepatutnya terbentuk di antara lapisan pengikat dan lapisan seramik. Proses penyediaan salutan penghalang haba sedia ada tidak mengandungi lapisan TGO untuk pengesanan tisu, oleh itu kesan lapisan TGO yang terhasil dalam proses penyediaan terhadap prestasi dan jangka hayat salutan penghalang haba perlu dibuktikan secara terperinci, jadi tidak perlu dibincangkan secara mendalam di sini. Walau bagaimanapun, jika darjah vakum dalam ketuhar tidak memenuhi keperluan, struktur dan sifat permukaan seramik mungkin menjejaskan jangka hayat salutan penghalang haba, yang disahkan melalui eksperimen dalam kajian ini.

1.3 Ujian mikrokeras

Kekerasan permukaan seramik bagi kedua-dua jenis bilah telah diuji secara berasingan, dan hasilnya ditunjukkan dalam Jadual 1. Boleh dilihat bahawa tiada perbezaan ketara dalam nilai kekerasan permukaan seramik bilah pengelupasan bersalut dan bilah tidak dipasang dalam kumpulan yang sama, menunjukkan bahawa nilai kekerasan bilah dalam kumpulan yang sama tidak berubah dengan ketara sebelum dan selepas digunakan.

1.4 Ujian pengesahan

Lapisan seramik bagi salutan penghalang terma dihasilkan melalui proses pemendakan fizikal sinaran elektron. ZrO2 dipanaskan dalam tanur vakum sehingga ia menguap daripada ingot, dan kemudian perlahan-lahan dipendapkan pada permukaan bilah. Bentuk dan ketebalan pertumbuhan lapisan seramik dijamin dengan mengawal parameter seperti arus, tahap vakum dan masa pemendakan dalam ketuh vakum. Selepas semakan proses, didapati terdapat rekod penggantian minyak pam mekanikal atau pam vakum dalam ketuhar vakum, yang akan menjejaskan tahap vakum ketuhar vakum secara langsung, dan seterusnya mempengaruhi pertumbuhan kristal kolum lapisan seramik. Untuk mengesahkan sama ada darjah vakum memberi kesan kepada morfologi dan sifat kristal silinder lapisan seramik, ujian pengendapan lapisan seramik yang berbeza dijalankan menggunakan parameter proses dalam Jadual 2.

Salutan daun diperhatikan menggunakan mikroskop elektron di bawah dua keadaan. Keputusan menunjukkan bahawa di bawah voltan, arus dan masa pemendakan yang sama, apabila darjah vakum dalam ketuhar adalah 5×10−4 Torr, kristal kolumner seramik kelihatan seperti bulu atau bijirin, dan tiada lapisan TGO di antara lapisan pengikat dan lapisan seramik (RAJAH 6a). Apabila darjah vakum ialah 5×10−3 Torr, kristal kolumner salutan seramik menjadi kasar dan tidak menunjukkan bentuk bulu atau duri. Mikrostruktur pada akar kristal kolumner adalah agak longgar berbanding dengan hujungnya, dan mikrostruktur itu serupa dengan daun yang tidak dipasang, serta terdapat lapisan TGO di antara lapisan pengikat dan lapisan seramik (RAJAH 6b). Pada masa yang sama, keteguhan salutan seramik di bawah kedua-dua darjah vakum diuji, dan keputusan menunjukkan bahawa keteguhan lapisan seramik adalah lebih tinggi pada darjah vakum 5×10−4 Torr, manakala keteguhan lapisan seramik yang disedimentasi pada darjah vakum 5×10−3 Torr adalah lebih rendah (Jadual 3).

2. Kesimpulan

1) Lapisan seramik bilah yang rosak terpisah dari akar lapisan permukaan, dan struktur akar kristal kolumner longgar, serta bahagian tengah dan atas kristal kolumner berkumpul dan tersusun berlapis. Nilai kekerasan adalah lebih rendah berbanding lapisan seramik biasa, dan strukturnya berbeza dengan ketara daripada kristal kolum seramik bersalut seramik biasa.

2) Tahap vakum mempunyai pengaruh langsung terhadap morfologi pertumbuhan salutan seramik. Apabila tahap vakum memenuhi keperluan piawaian, kristal kolumni tumbuh seperti bulu atau telinga. Apabila darjah vakum lebih rendah daripada keperluan piawai, akar kristal berkolum longgar, bahagian tengah dan atas kristal berkolum padat, dan terdapat lapisan TGO yang ketara di antara lapisan pengikat dan lapisan seramik.

3) Kegagalan lapisan seramik bilah yang rosak untuk memenuhi keperluan penggunaan disebabkan oleh keadaan tidak normal peralatan pemendakan fizikal, mengakibatkan organisasi lapisan seramik yang dipendapkan tidak memenuhi keperluan piawaian.

Hubungi kami

• WhatsApp:+86 135 4409 5201
• E-mel:peter@turbineblade.net
• Alamat: 4E137, Tingkat 4, Bangunan 210, Taman Sains Tairan, Jalan Tairan 4, Komuniti Tian'an, Jalan Shatou, Daerah Futian, Shenzhen, China