航空发动机高温涂层性能常用的测试分析方法

2022-06-29

研究表明热端涂层失效的原因是受到温度场、应力场、化学场耦合的结果，因此选择时间、空间分辨率高的分析技术来研究热端涂层服役过程中的温度场、应力场、化学场显得极为关键。目前常用的测试分析方法如下。

1 温度场测量

随着航空航天事业的发展，航空发动机正向着高效率、高性能、高推重比（发动机推力与发动机或飞机重量的比值）发展，为满足更高的要求，需提高燃烧室的温度，使燃料充分燃烧，涡轮前进口温度也相应提高，由于受到涡轮叶片材料的限制，热端部件的温度不能超过其承受范围，否则涡轮叶片将会融化变形，造成毁灭性的事故。现在服役的第四代发动机前进口温度已经接近2000K，未来第五代发动机甚至可达到 2250K，在如此高的温度下，发动机热端部件的温度测量已变得极为困难。

目前航空发动机涡轮叶片温度测量技术分为接触式和非接触式两类。接触式测量有壁温热电偶、薄膜热电偶、液晶测温和示温漆等。壁温热电偶测温是基于温差电效应，两种不同材料连接成闭合回路，当两种金属连接点存在温差时会产生相应的热电势，以此判定材料此时的温度，但是需要在测量目标上面开槽埋入热电偶，如此会对材料的强度造成影响。为避免这个缺点，随着沉积技术的日趋成熟，可以将热电偶沉积在具有绝缘层的材料表面，这就是薄膜热电偶。液晶测温和示温漆只能显示被测材料所经历的温度范围，精确度不足，不能实时显示温度，且当涡轮叶片高速旋转时还会发生脱落，造成温度测量的不准确，因而科研工作者探索了非接触式测温方法。非接触式测温主要有红外辐射温度计、热辐射高温计，这两种测温方法都是基于普朗克辐射定律，通过搜集被测材料表面所发出的热辐射量而确定温度，这种测温方法提供了既不干扰表面也不影响周围介质的测温方法，对于高速旋转的涡轮叶片温度的实时检测是非常合适的。除此之外，还有荧光温度计、超声波等方法，但是由于荧光材料、测量精度等问题尚未在涡轮叶片上实现温度测量。

2 应力场测量

目前，测量应力的方法主要分为两大类。

(1) 机械法，如钻孔法、取条法等。机械法测量残余应力一般将具有残余应力的部分从构件中分离或切割出来，使应力释放。然后测量其应变的变化求出残余应力，是一种间接测量手段。机械法会对工件造成一定的损伤和破坏，但由于其具有理论完善、技术成熟、测量精度较高等优点，目前在现场测试中应用广泛。

(2) 物理检测法，如 X 射线衍射法、中子衍射法、超声波法、纳米压痕法、溅射深度剖析法、光激发荧光谱技术、显微拉曼光谱技术、声发射法等。这些方法均属于无损检测，对工件不会造成破坏，但成本较高，其中 X 射线衍射法发展最为成熟。周益春团队开展了十多年的声发射无损检测技术研究，已经掌握了该方法的集成、检测与信号分析，实现了服役环境模拟下失效过程的实时检测。

3 化学场测量

目前化学元素、相成分、相结构方面的测定主要有：X 射线衍射相分析、电化学原位拉曼光谱法、交流阻抗谱、原位红外反射吸收光谱法(IRRAS)等。宫声凯等人发现交流阻抗谱中低频段阻抗值的变化可以有效地反映热障涂层热氧化层内横向裂纹的萌生及扩展。周益春等人从实验和理论上解释了热障涂层复阻抗谱测量时电场发散的本质，表征了氧化层厚度、陶瓷层孔隙与氧化环境的演化关系。

但总的来说，高温服役环境下损伤的实时检测，尤其是损伤的定量评价还不成熟。更重要的是，在现有的试验模拟装置中，除了静态装置中有少量图像、重量、温度等参数的检测手段外，很少有成熟的无损检测技术，动态装置中的检测方法尤为匮乏，是这一研究领域的巨大挑战。

结论

航空发动机高温涂层在海洋大气环境下服役，除了常温-高温热循环冲击外，还要受到高湿、高盐分的大气腐蚀，因此其失效是一个非常复杂的热、力、化耦合的过程。

海洋大气具有复杂的腐蚀性，且具有动态性、地域性等特点。同一地点的海洋大气成分、温度、湿度时刻发生着变化，不同经纬度的海洋大气也存在差异，因此在研究航空发动机高温涂层耐海洋大气腐蚀时，需要考虑不同盐分、浓度、温度、湿度的情况；甚至需要仿真动态气氛环境下高温涂层的耐腐蚀性能。

航空发动机高温涂层种类多，每一种都具有其特定的性能，但在海洋环境中却可能受到严重的潮湿或盐雾腐蚀破坏，使叶片寿命缩短，给发动机带来安全隐患。目前这些工作还处在基础和应用研究阶段。

航空发动机实际服役情况是常温-高温热循环状态，且 90% 以上时间处于常温状态。常温腐蚀机制为闭塞电池腐蚀和电偶腐蚀，常采用盐雾腐蚀实验和电化学腐蚀实验进行考核。高温热腐蚀失效是高温腐蚀、热应力、高温冲蚀的共同结果，本质是受到温度场、应力场、化学场等“热力化”耦合作用的结果。

测试分析的方法由事后静态分析法向原位动态分析法发展，由接触破坏法向无损检测法发展。新的测试分析方法为更好地研究海洋大气环境涂层的腐蚀失效机制提供更加精确的数据。

但也要看到：针对航空发动机高温涂层耐海洋大气腐蚀的研究，依然存在很多问题，可以预期的是：

(1) 理论方面，需要综合考虑常温腐蚀与高温腐蚀交替进行过程中的氧化、腐蚀、蠕变、塑性变形、温度梯度及基底曲率等因素的影响，分析不同结构涂层热循环、腐蚀、氧化、冲蚀等作用下应力场与应力强度因子的演变规律。

(2) 结合非线性连续介质力学与相场理论，建立涂层高温氧化、CMAS 腐蚀的力化本构模型，揭示出其热力化耦合的失效机制。

(3) 实验方面，探索了原子尺度下涂层界面氧化、涂层 CMAS 的高温原位透射电镜观察方法，结合第一性原理揭示了热障涂层原子尺度下氧化、腐蚀的机理。基于所发展的各种热力与服役环境模拟方法，结合实时检测技术，系统研究了热力载荷、高温氧化、冲蚀、 CMAS 腐蚀等载荷下的失效模式与失效准则。