การวิเคราะห์สาเหตุของการลอกของสารเคลือบป้องกันความร้อนที่ใบพัดของเครื่องยนต์อากาศยาน

โดยมุ่งเน้นไปที่ปรากฏการณ์ของการลอกของสารเคลือบป้องกันความร้อนของใบพัดกังหันที่ทำงานของเครื่องยนต์ในระหว่างการทดสอบ การศึกษาครั้งนี้ได้ค้นพบสาเหตุของการลอกของสารเคลือบในระหว่างการใช้งานผลิตภัณฑ์โดยการสังเกตด้วยกล้องจุลทรรศน์ การวิเคราะห์สัณฐานวิทยาของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด และการวิเคราะห์องค์ประกอบจุลภาคของสเปกตรัมพลังงาน ร่วมกับผลการตรวจสอบของกระบวนการทั้งหมด และเสนอแนะแนวทางในการปรับปรุงเทคโนโลยีการประมวลผลของชิ้นส่วนที่ตามมา

การเคลือบป้องกันความร้อนด้วยการสะสมไอทางกายภาพด้วยลำแสงอิเล็กตรอน (EB-PVD) ถูกใช้กันอย่างแพร่หลายในใบพัดของเครื่องยนต์อากาศยาน และได้กลายเป็นเทคโนโลยีหลักที่ขาดไม่ได้สำหรับใบพัดของเครื่องยนต์อากาศยาน เทคโนโลยี EB-PVD เป็นเทคโนโลยีที่ใช้ลำแสงอิเล็กตรอนที่มีความหนาแน่นของพลังงานสูงในการให้ความร้อนกับวัสดุที่จะระเหยในเบ้าหลอมที่ระบายความร้อนด้วยน้ำในสภาพแวดล้อมสูญญากาศ เพื่อให้วัสดุนั้นเข้าสู่สถานะก๊าซที่หลอมละลาย และระเหยไปที่พื้นผิวภายใต้การกระทำของสนามแม่เหล็กที่เบี่ยงเบนเพื่อควบแน่นเป็นสารเคลือบ โครงสร้างการเคลือบป้องกันความร้อน EB-PVD มีหลายประเภท รวมถึงโครงสร้างสองชั้น โครงสร้างแบบไล่ระดับ และโครงสร้างหลายชั้น ซึ่งที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดคือการเคลือบป้องกันความร้อนสองชั้น การเคลือบป้องกันความร้อนสองชั้นประกอบด้วยชั้นบนสุดที่เป็นเซรามิกและชั้นพันธะโลหะ ชั้นเซรามิกทำหน้าที่หลักในการเป็นฉนวนกันความร้อน และชั้นพันธะโลหะทำหน้าที่หลักในการบรรเทาความไม่ตรงกันของการขยายตัวเนื่องจากความร้อนระหว่างเมทริกซ์และชั้นเซรามิก และปรับปรุงความต้านทานของเมทริกซ์ต่อการกัดกร่อนออกซิเดชันที่อุณหภูมิสูง ในสภาพแวดล้อมการทำงานจริง อินเทอร์เฟซระหว่างชั้นพันธะและชั้นเซรามิกจะสร้างชั้นออกไซด์ ซึ่งองค์ประกอบหลักคือ -Al2O3 จึงยับยั้งการแพร่กระจายเพิ่มเติมของธาตุ O เข้าไปในการเคลือบ ความท้าทายหลักที่เผชิญในการใช้สารเคลือบป้องกันความร้อนคือความทนทานของสารเคลือบ โดยเฉพาะอย่างยิ่งความต้านทานการแตกร้าวของสารเคลือบ ซึ่งได้รับอิทธิพลจากหลายปัจจัย เช่น สภาวะความเค้นในชั้นเซรามิก โครงสร้างจุลภาคของชั้นพันธะ ความหนาและสภาวะความเค้นของชั้น TGO และความต้านทานการแตกร้าวของอินเทอร์เฟซต่างๆ ระหว่างชั้นพันธะและ TGO ในปัจจุบัน เป็นที่ยอมรับว่าการเกิดออกซิเดชันของชั้นพันธะเป็นปัจจัยสำคัญในการกำหนดอายุการใช้งานของสารเคลือบป้องกันความร้อน

1. กระบวนการทดสอบและผลลัพธ์

1.1 การสังเกตการแตกร้าวของสารเคลือบในระดับมหภาค

หลังจากทดสอบเครื่องยนต์ได้ 9 ชั่วโมง พบว่าสารเคลือบบนพื้นผิวของใบพัดทำงานเกิดการแตกร้าว และพื้นที่แตกร้าวเกินข้อกำหนดมาตรฐาน โดยลักษณะทางสัณฐานวิทยาของสารเคลือบดังกล่าวแสดงไว้ในรูปที่ 1

1.2 การวิเคราะห์เปรียบเทียบการเคลือบก่อนและหลังการใช้งาน

เพื่อที่จะวิเคราะห์สาเหตุของการลอกของแผ่นใบต่อไป จึงมีการเปรียบเทียบใบประกอบกับใบใหม่ในชุดเดียวกัน และเปรียบเทียบและวิเคราะห์องค์ประกอบของการเคลือบและโครงสร้างจุลภาคของปลายใบและส่วนกลางของใบแต่ละใบตามตำแหน่งใบที่แสดงในรูปที่ 2

1) การเปรียบเทียบลักษณะทางสัณฐานวิทยาของใบใหญ่ เปรียบเทียบและสังเกตลักษณะทางสัณฐานวิทยาของใบบริการและใบใหม่ โดยแสดงลักษณะทางสัณฐานวิทยาไว้ในรูปที่ 3 การลอกของสารเคลือบของใบบริการส่วนใหญ่เกิดขึ้นที่ขอบทางเข้าและขอบทางออกของใบใกล้ปลายใบ

2) การวิเคราะห์องค์ประกอบทางเคมี โดยเก็บตัวอย่างจากปลายใบมีดและส่วนกลางของตัวใบมีด และเตรียมตัวอย่างโลหะวิทยาหลังจากทำโมเสกแบบร้อน ตามชิ้นส่วนตรวจจับที่แสดงในรูปที่ 2 ส่วนประกอบของสารเคลือบบนแต่ละส่วนของใบมีดได้รับการวิเคราะห์โดยใช้สเปกตรัมพลังงาน ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่าเนื้อหาของธาตุหลักในชั้นล่างของใบที่ลอกออกนั้นเกือบจะเหมือนกันกับในใบที่ลอกออกชุดเดียวกัน แต่ไม่มีความแตกต่างที่ชัดเจนในเนื้อหาของธาตุหลักในชั้นผิว

3) การวิเคราะห์สัณฐานวิทยาของการเคลือบ ตัวอย่างโลหะวิทยาถูกสังเกตด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกน และผลลัพธ์แสดงไว้ในรูปที่ 4 จากรูปจะเห็นได้ว่าชั้นล่างของใบมีดที่เคลือบหลุดลอกนั้นยังคงสมบูรณ์ และเนื้อเยื่อของชั้นผิวบางส่วนยังคงอยู่ที่ชั้นล่าง เคลือบแตกออกจากรากของผลึกคอลัมน์ของชั้นผิว และมีชั้น TGO ประมาณ 1 μm ระหว่างชั้นผิวและชั้นล่าง นอกจากนี้ ยังวิเคราะห์โครงสร้างการเคลือบทั้งหมดในตำแหน่งต่างๆ ของใบมีด และสังเกตสัณฐานวิทยาในระดับจุลภาคจากขอบทางเข้าไปยังขอบทางออกในส่วนตรงกลางของใบมีด ที่ขอบทางเข้าของส่วนกลางของใบมีด ผลึกทรงกระบอกของชั้นผิวแตกร้าวไปตามราก ซึ่งบ่งชี้ว่าเคลือบเริ่มลอกออกที่ปลายใบมีด และรอยแตกขยายไปถึงตรงกลางของใบมีด ในทางกลับกัน โครงสร้างผลึกทรงกระบอกชั้นผิวที่ด้านหลังของใบและขอบไอเสียนั้นอยู่รวมกันเป็นกลุ่ม ไม่ได้กระจายแบบขนนก ระยะห่างระหว่างผลึกทรงกระบอกนั้นไม่ชัดเจน และรากของผลึกทรงกระบอกนั้นหลวมกว่าปลาย

กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดดำเนินการในตำแหน่งที่แตกต่างกันของใบมีดที่ถอดออกของชุดเดียวกันและผลลัพธ์จะแสดงในรูปที่ 5 ดังที่เห็นได้จากรูปที่ 5 โครงสร้างการเคลือบของใบที่ทำใหม่นั้นเหมือนกันกับของใบที่ปอกเปลือก ปลายด้านบนของผลึกคอลัมน์กระจายอย่างหนาแน่นและโครงสร้างชั้นผิวถูกสร้างขึ้นโดยการซ้อนชั้น มีชั้น TGO ที่ชัดเจนระหว่างชั้นผิวและชั้นล่างและความหนาประมาณ 1μm การมีอยู่ของชั้น TGO ระหว่างชั้นพันธะและชั้นเซรามิกบนใบมีดบ่งชี้ว่าในระหว่างการสะสมของชั้นเซรามิกมี O จำนวนหนึ่งในเตาเผาซึ่งส่งเสริมการก่อตัวของชั้น TGO และระดับสูญญากาศของเตาเผาอาจไม่ตรงตามข้อกำหนดมาตรฐานดังนั้นชั้น TGO จึงถูกสร้างขึ้นที่จุดเชื่อมต่อของชั้นล่างและชั้นผิว ในเวลาเดียวกันรอยแตกร้าวของเซรามิกบนพื้นผิวตามผลึกคอลัมน์ยังมีอยู่ที่ปลายใบมีดด้วย

กระบวนการเคลือบป้องกันความร้อนของใบมีดมีดังนี้: การเตรียมพื้นผิวใบมีด → การเคลือบฐานด้วยไอออนแบบหลายอาร์ค → การแพร่กระจายด้วยสุญญากาศ → การทำความสะอาดด้วยคลื่นเสียงความถี่สูง → ชั้นพื้นผิวการเคลือบด้วยลำแสงอิเล็กตรอนแบบสุญญากาศ ในระหว่างการประมวลผล ทั้งชั้นพันธะโลหะและชั้นเซรามิกจะถูกเคลือบภายใต้สุญญากาศ ดังนั้นจึงไม่ควรผลิตชั้น TGO ที่มีความหนาประมาณ 1 μm ระหว่างชั้นพันธะและชั้นเซรามิก กระบวนการเตรียมการเคลือบป้องกันความร้อนที่มีอยู่ไม่มีชั้น TGO สำหรับการตรวจจับเนื้อเยื่อ ดังนั้น ผลกระทบของชั้น TGO ที่เกิดขึ้นในกระบวนการเตรียมต่อประสิทธิภาพและอายุการใช้งานของการเคลือบป้องกันความร้อนจึงต้องได้รับการสาธิตอย่างละเอียด ดังนั้นจึงไม่จำเป็นต้องลงรายละเอียดที่นี่ อย่างไรก็ตาม หากระดับสุญญากาศในเตาเผาไม่เป็นไปตามข้อกำหนด โครงสร้างและคุณสมบัติของพื้นผิวเซรามิกอาจส่งผลต่ออายุการใช้งานของการเคลือบป้องกันความร้อน ซึ่งได้รับการพิสูจน์แล้วจากการทดลองในงานวิจัยนี้

1.3 การทดสอบความแข็งระดับจุลภาค

ความแข็งของพื้นผิวเซรามิกของใบมีดทั้งสองประเภทได้รับการทดสอบตามลำดับ และผลการทดสอบแสดงไว้ในตารางที่ 1 จะเห็นได้ว่าไม่มีความแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญในค่าความแข็งของพื้นผิวเซรามิกของใบมีดลอกเคลือบและใบมีดที่ไม่ได้ถอดออกในชุดเดียวกัน ซึ่งบ่งชี้ว่าค่าความแข็งของใบมีดในชุดเดียวกันไม่เปลี่ยนแปลงอย่างมีนัยสำคัญก่อนและหลังการใช้งาน

1.4 การทดสอบยืนยัน

ชั้นเซรามิกของสารเคลือบป้องกันความร้อนจะดำเนินการภายใต้กระบวนการสะสมทางกายภาพของลำแสงอิเล็กตรอน ZrO2 จะถูกให้ความร้อนในเตาสูญญากาศจนกระทั่งระเหยออกจากแท่งโลหะ จากนั้นจึงค่อย ๆ สะสมบนพื้นผิวของใบมีด รูปร่างและความหนาของการเติบโตของชั้นเซรามิกจะได้รับการยืนยันโดยการควบคุมพารามิเตอร์ต่างๆ เช่น กระแส ระดับสูญญากาศ และเวลาในการสะสมในเตาสูญญากาศ หลังจากตรวจสอบกระบวนการแล้ว พบว่ามีบันทึกการเปลี่ยนสายปืนหรือน้ำมันปั๊มเชิงกลในเตาสูญญากาศ ซึ่งจะส่งผลโดยตรงต่อระดับสูญญากาศของเตาสูญญากาศ จากนั้นจึงส่งผลต่อการเติบโตของผลึกคอลัมน์เคลือบเซรามิก เพื่อตรวจสอบว่าระดับสูญญากาศมีผลต่อสัณฐานวิทยาและคุณสมบัติของผลึกทรงกระบอกของชั้นเซรามิกหรือไม่ จึงทำการทดสอบการสะสมของชั้นเซรามิกต่าง ๆ โดยใช้พารามิเตอร์กระบวนการในตารางที่ 2

การเคลือบใบถูกสังเกตด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนภายใต้สองเงื่อนไข ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่าภายใต้แรงดันไฟฟ้า กระแสไฟฟ้า และเวลาการสะสมเดียวกัน เมื่อระดับสูญญากาศในเตาคือ 5×10−4 Torr ผลึกคอลัมน์เซรามิกจะปรากฏเป็นขนนหรือคล้ายข้าวสาลี และไม่มีชั้น TGO ระหว่างชั้นพันธะและชั้นเซรามิก (รูปที่ 6a) เมื่อระดับสูญญากาศคือ 5×10−3 Torr ผลึกคอลัมน์ของการเคลือบเซรามิกจะหยาบและไม่มีรูปร่างคล้ายขนนหรือคล้ายหนาม โครงสร้างจุลภาคของรากของผลึกคอลัมน์ค่อนข้างหลวมเมื่อเทียบกับปลาย และโครงสร้างจุลภาคจะคล้ายกับของใบที่ไม่ได้ใช้งาน และมีชั้น TGO ระหว่างชั้นพันธะและชั้นเซรามิก (รูปที่ 6b) ในเวลาเดียวกัน ความแข็งของการเคลือบเซรามิกภายใต้ระดับสุญญากาศ 2 ระดับได้รับการทดสอบ และผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่าความแข็งของชั้นเซรามิกสูงขึ้นภายใต้ระดับสุญญากาศ 5×10−4 Torr ในขณะที่ความแข็งของชั้นเซรามิกที่สะสมภายใต้ระดับสุญญากาศ 5×10−3 Torr ต่ำกว่า (ตารางที่ 3)

2. บทสรุป

1) ชั้นเซรามิกของใบมีดที่ชำรุดแตกออกจากรากของชั้นผิว และโครงสร้างของรากของผลึกคอลัมน์นั้นหลวม และส่วนกลางและส่วนบนของผลึกคอลัมน์นั้นรวมตัวกันและกระจายเป็นชั้นๆ ค่าความแข็งนั้นต่ำกว่าของชั้นเซรามิกปกติ และโครงสร้างนั้นแตกต่างอย่างมากจากผลึกคอลัมน์เคลือบเซรามิกปกติ

2) ระดับสูญญากาศมีอิทธิพลโดยตรงต่อการเจริญเติบโตของสัณฐานวิทยาของการเคลือบเซรามิก เมื่อระดับสูญญากาศตรงตามข้อกำหนดมาตรฐาน ผลึกคอลัมน์จะเติบโตเหมือนขนนกหรือหู เมื่อระดับสูญญากาศต่ำกว่าข้อกำหนดมาตรฐาน รากของผลึกคอลัมน์จะหลวม ส่วนกลางและส่วนบนของผลึกคอลัมน์จะหนาแน่น และมีชั้น TGO ที่ชัดเจนระหว่างชั้นพันธะและชั้นเซรามิก

3) ความล้มเหลวของชั้นเซรามิกของใบมีดที่ชำรุดไม่สามารถตอบสนองความต้องการใช้งาน เกิดจากสภาพที่ผิดปกติของอุปกรณ์การสะสมทางกายภาพ ส่งผลให้ชั้นเซรามิกที่สะสมไม่เป็นไปตามข้อกำหนดมาตรฐาน