מכוון לתופעה של קילוף ציפוי מחסום תרמי של להבי טורבינה הפועלים במנוע במהלך ניסוי, מחקר זה גילה את הסיבה העיקרית לקילוף ציפוי במהלך השימוש במוצר באמצעות תצפית מקרוסקופית, ניתוח מורפולוגיה של מיקרוסקופ אלקטרוני סורק וניתוח מיקרו-רכיבי ספקטרום אנרגיה, בשילוב עם תוצאות החקירה של כל תהליך התהליך, ולהעלות הצעות לשיפור טכנולוגיית העיבוד של החלקים הבאים.
ציפוי מחסום תרמי של אלומת אלקטרונים (EB-PVD) נמצא בשימוש נרחב בלהבי מנועי אוויר, והפך לטכנולוגיית מפתח הכרחית עבור להבי מנועי אוויר. טכנולוגיית EB-PVD היא טכנולוגיה המשתמשת בקרן אלקטרונים בצפיפות אנרגיה גבוהה כדי לחמם את החומר המיועד לאידוי לתוך כור היתוך מקורר מים בסביבת ואקום, כך שהוא מגיע למצב גיזוז מותך, ומתנדף למצע תחת הפעולה. של שדה מגנטי מסיט להתעבות לציפוי. ישנם סוגים רבים של מבני ציפוי מחסום תרמי EB-PVD, כולל מבנה שכבה כפולה, מבנה שיפוע ומבנה רב-שכבתי, שהנפוץ שבהם הוא ציפוי מחסום תרמי שכבה כפולה. ציפוי המחסום התרמי הדו-שכבתי מורכב משכבה עליונה קרמית ושכבת מליטה מתכתית. שכבת הקרמיקה ממלאת בעיקר את תפקיד בידוד החום, ושכבת מקשר המתכת ממלאת בעיקר את התפקיד של הקלה על חוסר ההתאמה של ההתפשטות התרמית בין המטריצה לשכבת הקרמיקה, ושיפור עמידות המטריצה בפני קורוזיה בחמצון בטמפרטורה גבוהה. בסביבת העבודה בפועל, הממשק בין שכבת החיבור לשכבת הקרמיקה יהווה שכבת תחמוצת, שהמרכיב העיקרי בה הוא -Al2O3, ובכך יעכב דיפוזיה נוספת של יסודות O לתוך הציפוי. האתגר העיקרי העומד בפני יישום ציפויי מחסום תרמיים הוא עמידות הציפוי, במיוחד עמידות הציפוי בפני התפרקות, המושפעת מגורמים רבים, כגון מצב הלחץ בשכבת הקרמיקה, מבנה המיקרו של שכבת הקשר, העובי. ומצב מתח של שכבת ה-TGO, ועמידות השברים של הממשקים השונים בין שכבת הקשר ל-TGO. כיום, ידוע שחמצון שכבת הקשר הוא גורם המפתח לקביעת חיי ציפוי המחסום התרמי.
1. תהליך בדיקה ותוצאות
1.1 תצפית מקרוסקופית על מורפולוגיה של ניתוק ציפוי
9 שעות לאחר בדיקת המנוע, נמצא כי הציפוי על פני הלהב העובד היה מתפורר, ושטח ההתפרקות חרג מדרישות התקן. המורפולוגיה המאקרו שלו מוצגת באיור 1.
1.2 ניתוח השוואתי של ציפוי לפני ואחרי השימוש
על מנת לנתח עוד את הגורמים לקילוף ציפוי העלים, הושוו עלי השירות לעלים החדשים של אותה אצווה, והושוו מרכיבי הציפוי ומבנה המיקרו של קצות הלהב והחלקים האמצעיים של כל עלה ונותחו בהתאם לעלה. מיקומים המוצגים באיור 2.
1) השוואה של מורפולוגיה מאקרו עלים. להב השירות והלהב החדש הושוו ונצפו, והמורפולוגיה הוצגה באיור 3. קילוף הציפוי של להב השירות מתרכז בעיקר בשולי הכניסה ובקצה הפליטה של הלהב ליד קצה הלהב.
2) ניתוח הרכב כימי. נלקחו דגימות מקצה הלהב ומאמצע גוף הלהב, ודגימות מטאלוגרפיות הוכנו לאחר פסיפס חם. על פי חלקי הזיהוי המוצגים באיור 2, רכיבי הציפוי בכל חלק של הלהב נותחו על ידי ספקטרום האנרגיה. התוצאות הראו שתכולת היסוד העיקרי בשכבה התחתונה של העלים המקולפים הייתה זהה בעצם לזו שבאותה אצווה של עלים לא מותקנים, אך לא היה הבדל ברור בתכולת האלמנט הראשי בשכבת השטח.
3) ניתוח מורפולוגיה של ציפוי. דגימות מטאלוגרפיות נצפו על ידי מיקרוסקופיה אלקטרונית סורקת, והתוצאות הוצגו באיור 4. ניתן לראות מהאיור שהשכבה התחתונה של הלהב שבה מתקלף הציפוי שלמה, ורקמת שכבת פני השטח נשארת בחלק התחתונה. שִׁכבָה. הציפוי נשבר מהשורש של גביש עמודי שכבת פני השטח, וישנה כ-1 מיקרומטר שכבת TGO בין שכבת פני השטח לשכבה התחתונה. יתר על כן, מבנה הציפוי המלא במיקומים שונים של הלהב נותח, והמורפולוגיה המיקרוסקופית מקצה הכניסה לקצה הפליטה נצפתה בחלק האמצעי של הלהב. בקצה הכניסה של החלק האמצעי של הלהב, הגביש הגלילי של שכבת פני השטח נסדק לאורך השורש, מה שמצביע על כך שהציפוי מתחיל להתקלף בקצה הלהב, והשבר משתרע עד אמצע הלהב. . מצד שני, מבני הגביש העמודים של שכבת פני השטח בחלק האחורי של העלה וקצה הפליטה מקובצים יחד, לא בחלוקה נוצתית, המרווח בין גבישים עמודים אינו ברור, ושורש הגביש העמודי רופף יותר מאשר הטיפ.
מיקרוסקופ אלקטרונים סורק בוצעה במיקומים שונים של להבים לא מותקנים מאותה אצווה, והתוצאות הוצגו באיור 5. כפי שניתן לראות מאיור 5, מבנה הציפוי של העלים החדשים זהה לזה של העלים המקולפים . הקצה העליון של הגביש העמודי מופץ בצפיפות, ומבנה שכבת פני השטח נוצר על ידי ערימת שכבות. יש שכבת TGO ברורה בין שכבת פני השטח לשכבה התחתונה, והעובי הוא בערך 1μm. קיומה של שכבת TGO בין שכבת ההדבקה לשכבת הקרמיקה על הלהב מצביע על כך שבזמן שקיעת השכבה הקרמית ישנה כמות מסוימת של O בכבשן, המקדמת את היווצרות שכבת TGO, ומידת הוואקום של ייתכן שהכבשן לא יעמוד בדרישות הסטנדרטיות, כך ששכבת ה-TGO נוצרת תחילה במפגש של השכבה התחתונה ושכבת פני השטח. יחד עם זאת, פיצוח הקרמיקה המשטח לאורך הגביש העמודי קיים גם בקצה הלהב.
התהליך של ציפוי מחסום תרמי להב הוא כדלקמן: טיפול מקדים משטח הלהב ← בסיס תצהיר ציפוי יונים רב-קשת ← דיפוזיה ואקום ← ניקוי קולי ← שכבת פני השטח של קרן אלקטרונים ואקום. במהלך העיבוד שלו, הן שכבת החיבור המתכת והן השכבה הקרמית מופקדות תחת ואקום, ולכן אין לייצר שכבת TGO בעובי של כ-1 מיקרומטר בין שכבת ההדבקה לשכבת הקרמיקה. תהליך ההכנה הקיים של ציפוי מחסום תרמי אינו מכיל את שכבת ה-TGO לזיהוי רקמות, ולכן יש להדגים בפירוט את ההשפעה של שכבת ה-TGO שנוצרת בתהליך ההכנה על הביצועים וחיי השירות של ציפוי המחסום התרמי, ולכן אין צורך להיכנס כאן לפרטים. עם זאת, אם דרגת הוואקום בכבשן אינה עומדת בדרישות, המבנה והמאפיינים של משטח הקרמיקה עשויים להשפיע על חיי השירות של ציפוי המחסום התרמי, אשר מאומת על ידי ניסויים במחקר זה.
1.3 בדיקת מיקרו קשיות
קשיות המשטח הקרמי של שני סוגי הלהבים נבדקה בהתאמה, והתוצאות מוצגות בטבלה 1. ניתן לראות כי אין הבדל משמעותי בערך הקשיות של המשטח הקרמי של להב הקילוף המצופה וכי של הלהב שלא הותקן באותה אצווה, מה שמצביע על כך שערך הקשיות של הלהב באותה אצווה אינו משתנה באופן משמעותי לפני ואחרי השימוש.
1.4 בדיקת אימות
השכבה הקרמית של ציפוי המחסום התרמי מתבצעת תחת תהליך השקיעה הפיזי של קרן אלקטרונים. ZrO2 מחומם בכבשן ואקום עד שהוא מתאדה מהמטיל, ולאחר מכן מופקד באיטיות על פני הלהב. הצורה והעובי של צמיחת השכבה הקרמית מובטחים על ידי שליטה בפרמטרים כגון זרם, דרגת ואקום וזמן השקיעה בכבשן הוואקום. לאחר סקירת תהליך, נמצא כי ישנם תיעודים של החלפת חוט אקדח או שמן משאבה מכנית בתנור ואקום, אשר ישפיע ישירות על דרגת הוואקום של תנור ואקום, ולאחר מכן ישפיע על הצמיחה של גבישים עמודים ציפוי קרמי. על מנת לוודא האם לדרגת הוואקום יש השפעה על המורפולוגיה והתכונות של הגבישים הגליליים של השכבה הקרמית, בדיקות השקיעה של שכבות קרמיקה שונות מתבצעות באמצעות פרמטרי התהליך בטבלה 2.
ציפוי העלים נצפה במיקרוסקופ אלקטרוני בשני תנאים. התוצאות מראות שתחת אותו מתח, זרם וזמן השקיעה, כאשר דרגת הוואקום בכבשן היא 5×10−4 טור, הגבישים העמודים הקרמיים נראים נוציים או דמויי חיטה, ואין שכבת TGO בין שכבת החיבור. ושכבת הקרמיקה (איור 6א). כאשר דרגת הוואקום הייתה 5×10−3 טור, הגבישים העמודים של הציפוי הקרמי היו גסים ולא הראו צורה דמוית נוצה או קוצים. המיקרו-מבנה של שורש הגבישים העמודים היה רופף יחסית לזה של הקצה, והמיקרו-מבנה היה דומה לזה של העלים שלא הותקנו, והייתה שכבת TGO בין שכבת ההדבקה לשכבת הקרמיקה (איור 6b). . במקביל, נבדקה קשיות הציפוי הקרמי מתחת לשתי דרגות הוואקום, והתוצאות הראו כי קשיות השכבה הקרמית הייתה גבוהה יותר מתחת לדרגת הוואקום 5×10−4 Torr, בעוד שהקשיות של שכבת הקרמיקה. שהופקד תחת דרגת ואקום 5×10-3 Torr היה נמוך יותר (טבלה 3).
2. מסקנה
1) שכבת הקרמיקה של הלהב הפגום נשברת משורש שכבת פני השטח, ומבנה השורש של הגביש העמודי רופף, והחלק האמצעי והעליון של הגביש העמודי מקובצים ומפוזרים בשכבות. ערך הקשיות נמוך מזה של שכבת הקרמיקה הרגילה, והמבנה שונה באופן משמעותי מזה של הגביש העמודי המצופה קרמי רגיל.
2) לדרגת ואקום השפעה ישירה על מורפולוגיית הצמיחה של ציפוי קרמי. כאשר מידת הוואקום עומדת בדרישות הסטנדרטיות, הגבישים העמודים גדלים כמו נוצות או אוזניים. כאשר דרגת הוואקום נמוכה מהדרישות הסטנדרטיות, שורש הגביש העמודי רופף, החלק האמצעי והעליון של הגביש העמודי צפופים, וישנה שכבת TGO ברורה בין שכבת החיבור לשכבת הקרמיקה.
3) הכישלון של שכבת הקרמיקה של הלהב הפגום לעמוד בדרישות השימוש נגרם ממצב חריג של ציוד ההפקדה הפיזי, וכתוצאה מכך ארגון שכבת הקרמיקה המופקדת אינו עומד בדרישות התקן.
