用于设计可持续抗侵蚀涂层的高温工具——NanoTest
Micro Materials独创的纳米冲击测试技术旨在产生空间分布的纳米或微米级冲击，以模拟固体颗粒侵蚀，该技术特别适用于研究热障涂层的损伤机制，并在损伤机制和磨损速率方面与侵蚀测试表现出极佳的相关性。这项“随机冲击测试”的专利已获授权，本文为使用该技术获得的关于极端高温抗侵蚀涂层的突破性研究成果。该项成果曾被BBC官方报道。
关键词：热障涂层；侵蚀；微冲击；TBC；高温涂层；纳米压痕
1、引言
克兰菲尔德大学正致力于解决航空航天发动机制造商和运营商在实现净零排放过程中面临的关键挑战之一，目标是降低产品全生命周期成本，同时减少环境影响。本案例研究聚焦于燃气轮机高温区应用的隔热涂层（TBC）。在此环境下，涡轮发动机内部环境极为严苛：旋转部件以12,000转/分运行，温度超过1200 °C，每片叶片承受的悬载荷相当于一辆双层巴士的重量。运行中，TBC会因吸入空气中的粉尘而受损，粉尘侵蚀涂层并缩短其使用寿命。
热障涂层由低导热性陶瓷面层和金属粘结层组成，后者为底层的镍基超合金基材提供氧化保护。行业标准的陶瓷面层（厚度约200 µm，7wt.% 氧化钇稳定氧化锆，7YSZ）使叶片表面能够承受比叶片本身高出 170 ℃ 的温度，有时甚至超过基体合金的熔点。此类涂层通过电子束物理气相沉积法沉积。该工艺条件形成了如图1a)和b)所示的应变顺应性柱状微观结构。
然而，实现可持续的净零排放目标，需要新型多功能热障涂层（TBC）材料及微观结构。此类材料将支持更高温度下的燃烧，从而提高发动机效率并减少排放。因此需要合适的工具来加速新型TBC的上市开发进程。
2、实验方法与设置
2.1 传统侵蚀试验
图1. TBC的扫描电子显微镜（SEM）图像：a) 顶部视图，b) 横截面视图，c) 微冲击工具示意图
2.2 微冲击试验
NanoTest冲击测试工具（图1 c）能够快速模拟侵蚀过程，并可进行精细调整以模拟实际部件及侵蚀测试中观察到的损伤。该工具还提供物理性能数据，有助于设计下一代TBC系统，并为建模工作提供支持。
本试验所使用的NanoTest Vantage平台配置如下：
· 纳米压痕
· 微压痕
· 纳米冲击
· 微冲击
· 850 ℃恒温台
研究采用经校准的球锥形金刚石探针（端面半径25 μm，锥角90°），以 90° 角垂直于表面，从距初始涂层表面 50 µm 的位置加速冲击。
试验分为两组：
（1）重复微冲击试验：在固定位置施加多次冲击，施加载荷范围为500～3000 mN，用以研究单点累积损伤行为。
（2）随机微冲击试验：在500 mN载荷下，于涂层表面不同尺寸区域（0.01～1 mm²）内，按预设冲击次数（50～500次）进行统计分布的随机位置冲击，以模拟侵蚀颗粒随机撞击涂层的统计特征。
2.3 表征方法
采用扫描电子显微镜（SEM）观察冲击后表面损伤形貌。冲击试验的损伤程度以冲击体积定量表征，侵蚀试验则以每千克侵蚀剂导致的涂层损失量（g/kg）为指标。
3、试验结果
初步试验侧重于探索冲击试验的各项参数，以尽可能准确地模拟侵蚀试验中观察到的损伤特征。这些参数包括压头几何形状、冲击载荷、冲击角度以及随机冲击的密度。
图2. 试验用TBC表面损伤的扫描电子显微镜（SEM）图像：a) 克兰菲尔德侵蚀试验，b) 随机冲击试验。
图2a) 展示了侵蚀试验中观察到的表面损伤，包括用黄色标出的柱状压实区域，以及来自断裂柱体的数量可观的TBC碎屑在表面堆积的情况。图2 b) 展示了同一涂层系统在随机冲击下的损伤情况，其损伤特征与上述相似。在此，观察到更多致密化区域，但其密度高于侵蚀试验中的情况。
图3. a) 侵蚀试验损伤的横截面图像；b) 随机冲击试验损伤的FIB-SEM图像，显示了跨柱裂纹。
图3 展示了冲击试验和侵蚀试验方法中受损区域的横截面图像，进一步强化了这种对比。 受冲击区域（图3b）显示，多个柱体上出现了类似的裂纹，但表面区域的柱体压实程度更高，且存在一些在侵蚀试验中不太明显的亚表面柱体变形。这表明，随机微冲击试验可以产生与侵蚀相同的损伤机制，并且进一步优化冲击参数可以调整压实与开裂的比例。
TBC变体 | 相对侵蚀速率 | 侵蚀排名 | 随机冲击排名 |
TBC1 | 1 | 1 | 1 |
TBC2 | 6.3 | 2 | 4 |
TBC3 | 6.9 | 3 | 2 |
TBC4 | 20.0 | 5 | 5 |
TBC5 | 8.8 | 4 | 3 |
在最终的排名实验中，对比参考TBC系统与新型TBC系统（具有不同的材料和微观结构）在侵蚀试验和冲击试验中的表现。 侵蚀性能的排名依据为每千克侵蚀剂导致的涂层损失量（g/kg），而冲击测试系统的排名则依据冲击体积。除TBC变体2外，所有受测TBC系统均被正确排序。该变体表现出的异常但有趣的行为值得进一步研究，并将为开发更坚韧的新型TBC材料和微观结构提供研究依据。
4、工程意义与应用前景
微冲击试验工具在工程应用中具有以下价值：
• 循环冲击试验产生的损伤与侵蚀性热障涂层（TBC）样品中的损伤相似。
• 相同的“随机冲击”试验可用于测试每种热障涂层，从而消除侵蚀试验的随机性以及实际使用中侵蚀现象的不确定性。
• 侵蚀试验耗时、昂贵且工作量大，微冲击试验可用于新涂层系统的快速筛选，加速研究过程。
• 生成的数据可用于支持弹道冲击的有限元分析。此类数据在文献中往往难以寻觅。
• 本试验可通过调整冲击载荷、测试探针几何形状、冲击角度或测试温度来适应不同需求，从而在相关实际使用条件下全面表征抗侵蚀性能。
BBC官网报道：https://www.bbc.co.uk/news/articles/cj9n1939ryzo