热障涂层在大气环境下的腐蚀

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.240427

摘要/Abstract

摘要：

热障涂层（Thermal barrier coatings，TBCs）已广泛应用于航空、航天和地面燃气轮机等发动机热端部件的防护。 TBCs的结构通常是金属基底/粘结层/陶瓷面层。常用的基底材料是镍基高温合金，基本组成是MCrAlY（M=Ni，Co），还添加少量强化元素如Re、W、Ta和Si等；粘结层（Bond coat，BC）的基本组成也是镍基高温合金MCrAlY，但抗氧化元素Cr和Al含量比较高；陶瓷面层以氧化钇稳定的氧化锆（Yttria stabilized zirconia，YSZ）为主。 TBCs生产完毕后，在大气环境下放置半个月以上，表面可能出现腐蚀斑点。 TBCs的腐蚀现象大多数发生在每年的5~7月多雨、潮湿和高温季节。采用激光烧蚀-电感耦合等离子-质谱（Laser ablation-inductively coupled plasma-mass spectroscopy，LA-ICP-MS）分析了腐蚀斑点中的Ni、Co、Cr、Al、Zr和Y元素含量在TBCs厚度方向的分布，证明腐蚀斑点是BC的腐蚀产物向外扩散而形成的。 BC的Al含量比基底高，导致BC与基底之间的界面产生电偶腐蚀。空气中的酸性污染物和封孔剂中的酸性杂质，是BC电偶腐蚀的电解质。降低封孔剂中酸性杂质含量以及在喷涂封孔剂之前使TBCs保持干燥，是防止BC腐蚀的有效方法。

关键词: 热障涂层, 粘结层, 腐蚀斑点

Abstract:

Thermal barrier coatings （TBCs） have been widely used for the protection of high-temperature metallic components of aero， space and land-based gas turbine engines， and other weapons， etc. The structure of TBCs basically consists of metallic substrate， metallic bond coat （BC） and ceramic top coat. The substrate material is Ni-based super alloy MCrAlY （M=Ni， Co）， usually some trace elements are added， such as Re， W， Ta， Si and so on. The metallic bond coat also consists of MCrAlY with much more Cr and Al for better anti-oxidation. The ceramic top coating is usually yttria stabilized zirconia （YSZ）. After deposition of TBCs and being stored in natural environment for longer than half a month， some corrosion spots could be observed. The corrosion phenomenon is more obvious in May to July with hot， rainy and humid environment. By means of Laser ablation-inductively coupled plasma-mass spectroscopy （LA-ICP-MS）， distribution of Ni， Co， Cr， Al， Zr and Y in the TBCs depth was analyzed， and the formation of corrosion spots is revealed to be a result of outward diffusion of corrosion products. BC has more Al than the substrate， leading to the Galvanic corrosion of BC. Acidic air pollutants or acidic impurities in TBCs pore sealer are electrolytes of Galvanic corrosion. Reducing acidic impurities and drying TBCs before the pore sealer spraying are effective methods to stop the BC corrosion.

Key words: Thermal barrier coatings, Bond coat, Corrosion spots

中图分类号:

O646.6

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图/表 18

图1 TBCs的腐蚀斑点现象A. Burner； B. Sealing plate

Fig.1 Corrosion spots of TBCs

图2 TBCs取样方式和分析方法

Fig.2 Sampling and analysis methods

图3 TBCs封孔剂的分析过程A. HYT0 soaked in acetone； B. Removed out from acetone； C. Adhesion of white powder from HYT0 by conductive tape

Fig.3 Analysis of the fluorocarbon coating on TBCs

图4 TBCs表面腐蚀斑点的特征A-C with different magnification

Fig.4 Corrosion spots on TBCs

图5 （A） HYT1试样腐蚀斑点的LA-ICP-MS分析和（B）（A）中3个腐蚀斑点放大图，虚线是切割线

Fig.5 LA-ICP-MS analysis of corrosion spots on HYT1 （A） and the enlarged picture of 3 spots in （A） with the dashed line for cutting （B）

图6 HYT1试样腐蚀斑点的LA-ICP-MS分析结果（激光脉冲500次）

Fig.6 LA-ICP-MS analysis results of corrosion spots on HYT1 （laser pulse 500 times）

图7 HYT1试样腐蚀斑点的LA-ICP-MS分析结果（激光脉冲5000次）

Fig.7 LA-ICP-MS analysis results of corrosion spots on HYT1 （laser pulse 5000 times）

图8 HYT1试样腐蚀斑点B-5000-1的LA-ICP-MS分析结果（A）和孔内部结构的光学照片（B）

Fig.8 LA-ICP-MS analysis results （A） and the inner-micrograph （B） of B-5000-1 on HYT1

图9 B-5000-1孔内部结构SEM照片（A）、EDS分析（B-H）和孔底部的BC/YSZ界面SEM照片（I）

Fig.9 SEM （A）， EDS （B-H） and SEM images of the BC/YSZ interface （I） of B-5000-1 hole after LA-ICP-MS analysis

图10 B-500-2孔的SEM（A）、EDS分析（B-G）和LA-ICP-MS分析（H）

Fig.10 SEM （A）， EDS （B-G） and LA-ICP-MS （H） of the hole B-500-2

图11 TBCs（表面带封孔剂）的截面形貌SEM照片（A）和EDS分析（B-H）

Fig.11 SEM （A） and EDS （B-H） of TBCs with fluorocarbon coating

图12 TBCs（表面带封孔剂）经过丙酮浸泡后的碎片SEM照片（A-C）和EDS分析（D-F）

Fig.12 SEM （A-C） and EDS （D-F） of the fluorocarbon coating pieces after being soaked in acetone

图13 TBCs（表面带封孔剂）经过丙酮浸泡后，丙酮溶液提取的白色粉末XRD图谱

Fig.13 XRD of the white powders in the fluorocarbon coating pieces after TBCs being soaked in acetone

图14 TBCs试样正反2面外观比较

Fig.14 Comparison of the front and backside of TBCs on the burner

图15 HYT0经过80 ℃、10 d湿热后的外观变化

Fig.15 Surface change of HYT0 after being heated at 80 ℃ for 10 days in moisture

图16 TBCs在封孔剂（A）组份a，（B）组份b和（C）组份c中分别浸泡10 d后的截面SEM照片3种组份

Fig.16 SEM of TBCs after being soaked composition a （A）， composition b （B） and composition （C） for 10 days in the three compositions of fluorocarbon coating

图17 我国工业城市空气中的酸性成分（2014-2022）［19］

Fig.17 The acidic composition in air of the industrialized cities of China （2014-2022）［19］

图18 HY3粘结层与DZ125基底的动电位极化曲线：（A） 5×10-4~1 mol/L H2SO4；（B）天然雨水

Fig.18 Potentiodynamic polarization curves of HY3 and DZ125 in：（A） 5×10-4~1 mol/L H2SO4；（B） Natural rain water

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