热障涂层的快速纳米压痕成像研究

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本期课程：

热障涂层的快速纳米压痕成像研究

（关键词：热障涂层；黏结层；多孔陶瓷；弹性模量；纳米压痕；相变；硬度；）

研究背景

热障涂层作为高温环境中关键的表面工程体系，广泛应用于航空发动机与燃气轮机叶片等部件。典型的热障涂层由如下结构组成：黏结层（通常为铝铬镍合金），多孔陶瓷顶部涂层（如钇稳定氧化锆），以及在高温下于两者界面处形成的热生长氧化层。该体系在高温等极端环境下，经历复杂的热和机械耦合过程，伴随氧化反应、相变、孔隙演化与裂纹等微观结构变化，从而对整体使用寿命产生显著影响。图1显示了飞机发动机的剖面图，展示了气流路径中温度和压力的变化。

图 1. 飞机发动机的剖面图，展示了气流路径中温度和压力的变化。

因此，准确获取热障涂层各层及界面区域在微米尺度下的局部力学性能，对理解其演化机制及预测其失效行为具有重要意义。然而，界面与薄层区域通常厚度微小、结构异质性强，传统力学测试手段难以实现高分辨率、空间连续的力学表征。

图2热障涂层系统的（a）多层结构示意图和（b）横截面扫描电子显微镜图像。转载自《MRS Bulletin》，2012年10月。

实验方法

本研究采用 KLA 纳米压痕仪结合 NanoBlitz 3D 模组，对热障涂层进行高速力学性能成像。NanoBlitz 3D 能够以每点小于 1 s 的速度完成样品表面探测、加载、卸载与移动，从而实现包含超过 10,000 个压痕点的大面积成像。基于熔融石英进行面积函数标定与机架刚度校正后，对各压痕点采用 Oliver–Pharr 方法计算硬度与弹性模量。测试包括原始态样品以及经过 5、10、100 次热循环后的样品，区域涵盖黏结层、陶瓷顶部涂层及界面热生长氧化层。

实验数据与讨论

纳米压痕成像结果清晰揭示了热循环过程中热生长氧化层的逐步形成与厚度增加。如图3所示，在原始态样品中，无显著热生长氧化层特征；而在 5 次循环后，力学性能图与显微组织中均能观察到连续的高模量区，证明了热生长氧化层的形成。随着热循环次数增加，热生长氧化层的厚度变化呈典型的抛物线特点，该现象与文献中对热生长氧化层生长动力学的认识一致1,2。由于热生长氧化层与相邻材料具有显著的弹性模量差异，其生长引发界面处的应力集中。在经历 100 次热循环的样品中，界面上方陶瓷层中出现微裂纹，成像中表现为局部硬度与弹性模量的下降。

图3. 顶部涂层-黏结层界面的（SEM）微观照片及相应的硬度和弹性模量分布图显示了热生长氧化层的生长情况：(a，第一列) 涂层初始态；(b，第二列) 经过5个热循环后；(c，第三列) 经过10个热循环后；(d，第四列) 经过100个热循环后。

随着热循环次数的增加，除了热生长氧化层外，黏结层中 β-NiAl 相的逐渐消耗也可从图3的硬度图和微观结构图中清晰地观察到。β 相的减少意味着黏结层内部的相组成发生变化，这一变化会直接影响材料局部硬度，从而在硬度成像图中呈现清晰的空间分布差异。

为进一步挖掘力学性能成像中物相级别的信息，本研究使用的聚类算法在去卷积后保留了物相分布空间信息，从而能够从力学性能图重建相分布图。此外，聚类算法不需要预设输出范围，而曲线拟合分析则需要。从硬度图得到的去卷积图，以及样品的微观结构（经过五次热循环）如图4所示。从图4c的去卷积硬度图可以看出，图4b中的性能图已经根据硬度数据分成了三个不同的集群，在本例中分别是 (1) β-NiAl, (2) γ/γ′-Ni 和 (3) 由于内部氧化形成的氧化物。可以认为每个集群中数据点的均值和标准差代表对应相的均值和标准差。

图4. 五次热循环后的黏结层的(a) 微观结构, (b) 硬度图, 以及 (c)去卷积后的硬度图。

结论

使用KLA纳米压痕仪并结合NanoBlitz 3D高速成像技术对热障涂层，特别是黏结层和顶部涂层之间的界面层进行了研究。研究表明，热障涂层的微观结构与局部力学性能之间有极佳的相关性，在不同层之间的界面以及多孔的顶部涂层中也是如此。本研究获得的物相级性能可以直接用于基于微观结构的有限元分析，快速纳米压痕也为未来建立数据驱动的材料性能预测模型奠定了基础，是热障涂层的失效机制研究与寿命评估强有力的实验工具。