阅读说明：本技术 一种重型燃气轮机热障涂层界面氧化物荧光信号增强方法 (Method for enhancing fluorescence signal of oxide on interface of thermal barrier coating of heavy-duty gas turbine ) 是由 江鹏 王铁军 李定骏 杨镠育 于 2019-09-17 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种重型燃气轮机热障涂层界面氧化物荧光信号增强方法,包括步骤：1)对重型燃气轮机热障涂层试样进行高温氧化处理,使其界面产生3-10μm厚度的热生长氧化物,随后取出试样；2)将氧化处理后的热障涂层试样放置于盛有矿物油或环氧树脂的容器中,将其整体置于密闭的真空箱中进行抽真空操作,并在10<Sup>-</Sup><Sup>4</Sup>Pa真空度下保持60～100分钟；3)使真空箱缓慢吸气,升压速率小于100Pa/min,直至真空箱内外压相持平,即可得到界面氧化物荧光信号增强后的重型燃气轮机热障涂层。本发明采用真空环境,将矿物油或环氧树脂会缓慢填充到重型燃气轮机热障涂层的孔隙和微缺陷之中,这将极大地缓解空气和氧化锆陶瓷的折射率,有效提升界面氧化物中Cr<Sup>3+</Sup>的荧光信号强度。(The invention discloses a method for enhancing a fluorescence signal of an oxide on a thermal barrier coating interface of a heavy-duty gas turbine, which comprises the following steps: 1) carrying out high-temperature oxidation treatment on a heavy-duty gas turbine thermal barrier coating sample to generate a thermal growth oxide with the thickness of 3-10 mu m on an interface of the heavy-duty gas turbine thermal barrier coating sample, and then taking out the sample; 2) placing the thermal barrier coating sample after oxidation treatment in a container containing mineral oil or epoxy resin, placing the whole in a closed vacuum box for vacuumizing operation, and performing vacuum-pumping operation at 10 DEG C ‑ 4 Keeping the vacuum degree of Pa for 60-100 minutes; 3) and (3) slowly sucking air in the vacuum box, wherein the pressure increasing rate is less than 100Pa/min until the internal pressure and the external pressure of the vacuum box are equal, and thus the thermal barrier coating of the heavy-duty gas turbine with the enhanced interface oxide fluorescence signal can be obtained. The invention adopts a vacuum environment, and mineral oil or epoxy resin can be slowly filled into the pores and microdefects of the thermal barrier coating of the heavy-duty gas turbine, which greatly relieves air and oxidationThe refractive index of the zirconium ceramic can effectively improve Cr in the interface oxide 3+ The intensity of the fluorescence signal of (a).)

一种重型燃气轮机热障涂层界面氧化物荧光信号增强方法

技术领域

本发明属于无损测量技术领域，具体涉及一种重型燃气轮机热障涂层界面氧化物荧光信号增强方法。

背景技术

重型燃气轮机(重燃)是大国重器，是清洁高效火电能源系统的核心动力装备之一，关乎国家能源安全、国防安全和工业竞争。热障涂层是保护重燃高温叶片不受高温燃气烧损的关键技术之一，被认为是目前提高重燃服役温度最切实可行的办法。然而，由于热障涂层系统各层材料性质及尺度差异巨大、各层之间的界面极其复杂、服役环境也异常恶劣(高温、高压、冲击、热梯度等)，这导致涂层在极端服役环境下易发生开裂、脱粘，从而引起涂层剥落失效。涂层剥落不仅使金属基底失去保护作用，涂层碎片的碰撞还可能对高速旋转的透平叶片产生致命威胁，甚至造成燃气轮机的整体失效，这已成为制约世界各国重型燃气轮机安全应用的瓶颈。热障涂层的剥落失效受高温氧化、热冲击疲劳、高温蠕变、高温烧结、相变、高温腐蚀、高温粒子冲蚀与冲击等多种因素影响，这些因素的影响往往都会引起界面附近残余应力的累积。当涂层中尤其是界面附近累积的残余应力超过其自身的强度时，将诱发裂纹的萌生、扩展，并导致涂层的最终剥落失效。热障涂层的开裂剥落总是毫无先兆的，目前尚无有效手段可以大面积准确检测涂层内部裂纹。

研究表明：热障涂层在降温阶段产生的面内残余压应力是诱发涂层界面上方裂纹萌生、屈曲剥离的直接原因。虽然涂层内部裂纹难以检测，但涂层内部残余应力是不断累积演变的。因此，检测热障涂层界面残余应力的水平及演变，就能对涂层的损伤程度进行反馈评价。

现有的测量材料应力的方法很多，但由于热障涂层体系所具有的特点，加上各种测量方法本身的限制，对热障涂层内部(尤其是界面)应力的测量仍有相当难度。例如：曲率法、层削法、钻孔法通常只能得到热障涂层整体的平均应力，无法获取界面的局部应力，同时这几种方法也是接触式的，会不可避免地在测量的过程中对涂层造成损伤；数字图像相关法基于获取的二维图像分析应变的演化，但也只能测量表面应变；数字体积相关法基于材料内部三维结构图像分析应变的演化，但目前的计算机断层扫描技术(CT)只能用于测量尺寸很小的材料的内部三维结构，难以用于TBC残余应力的大面积测量，同时，目前这种基于CT技术获取的三维图像的精度也往往难以保证；常规的X射线衍射法常被用于应力的检测，但其对TBC的穿透深度仅限于10μm左右，无法测量内部深处的应力；高能X射线衍射法是近年来发展出的一种新方法，相比常规的X射线能量更高，足以穿透数百微米的TBC，但高能X射线源极其稀缺且昂贵，难以推广使用。

目前，在热障涂层内部应力测量中应用最成功的方法是基于特定元素弹性应力发光性质的荧光应力法，其基本原理是：在掺杂荧光激活剂离子的基质材料中，荧光激活剂离子在激光激发下会发生能级跃迁并发射光谱；当基质材料处于应力载荷下时，其晶格参数随应力发生变化，导致荧光光谱的峰位会随着应力而改变。一般来说，荧光激活剂离子的荧光发射光谱峰位与其所受应力成正比。著名的热障涂层材料专家、哈佛大学教授Clarke将这种方法首次成功用于航空发动机热障涂层中，通过测定其界面热生长氧化物(TGO，Al₂O₃:Cr³⁺)中Cr³⁺离子荧光峰位偏移来反馈其残余应力。由于航空发动机热障涂层采用电子束物理气相沉积法制备，其内部为垂直于界面的柱状晶结构，可保证荧光信号的顺利穿透。

然而，对于重型燃气轮机而言，其热障涂层要求高隔热性能、大面积喷涂和低成本制备，因此多采用等离子热喷涂工艺。热喷涂工艺制备的热障涂层内部呈多孔、片层状结构，存在大量微孔隙和缺陷。这导致热障涂层界面氧化物的荧光信号在穿透涂层时衰减极其严重，难以保证应力测量的分布率及探测效率，严重制约了荧光应力法在重型燃气轮机热障涂层界面残余测量上的推广应用。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种重型燃气轮机热障涂层界面氧化物荧光信号增强方法，实现重型燃气轮机热障涂层界面残余应力的有效检测及涂层的寿命评估。

本发明采用如下技术方案来实现的：

一种重型燃气轮机热障涂层界面氧化物荧光信号增强方法，包括以下步骤：

1)对重型燃气轮机热障涂层试样进行高温氧化处理，使其界面产生3-10μm厚度的热生长氧化物，随后取出试样；

2)将氧化处理后的热障涂层试样放置于盛有矿物油或环氧树脂的容器中，将其整体置于密闭的真空箱中进行抽真空操作，并在10^-4Pa真空度下保持60～100分钟；

3)使真空箱缓慢吸气，升压速率小于100Pa/min，直至真空箱内外压相持平，即可得到界面氧化物荧光信号增强后的重型燃气轮机热障涂层。

本发明进一步的改进在于，步骤1)中，重型燃气轮机热障涂层试样采用大气等离子喷涂法制备得到。

本发明进一步的改进在于，步骤1)中，对重型燃气轮机热障涂层试样在温度1000℃～1250℃下处理100～500小时。

本发明具有如下有益的技术效果：

本发明采用真空环境，将矿物油或环氧树脂会缓慢填充到重型燃气轮机热障涂层的孔隙和微缺陷之中。由于矿物油和环氧树脂的折射率介于空气和氧化锆陶瓷之间，这将极大地缓解空气和氧化锆陶瓷的折射率，有效提升界面氧化物(TGO，Al₂O₃:Cr³⁺)中Cr³⁺的荧光信号强度，最厚可检测涂层厚度不小于300μm。

附图说明

图1为重型燃气轮机热障涂层界面热生长氧化物(TGO，Al₂O₃:Cr³⁺)中Cr³⁺离子的荧光信号测量原理示意图。

图2为重型燃气轮机热障涂层界面热生长氧化物(TGO，Al₂O₃:Cr³⁺)中Cr³⁺离子的典型荧光光谱及荧光峰位图。

图3为真空度为10^-4Pa，矿物油真空渗入前与渗入后的Cr³⁺离子荧光信号强度对比图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明做出进一步的说明。

本发明提供的一种重型燃气轮机热障涂层界面氧化物荧光信号增强方法，包括以下步骤：首先，采用大气等离子喷涂法制备重型燃气轮机热障涂层试样；然后，对其进行高温氧化处理(1100℃、100小时)，使其界面产生足够厚的热生长氧化物(TGO，Al₂O₃:Cr³⁺)，随后取出试样；然后，将氧化处理后的热障涂层试样放置于盛有矿物油或环氧树脂的烧杯中，将其整体置于密闭的真空箱中进行抽真空操作，并在10^-4Pa真空度下保持60～100分钟；然后，使真空箱缓慢吸气，升压速率小于100Pa/min，直至真空箱内外压相持平，即可得到界面氧化物荧光信号增强后的重型燃气轮机热障涂层。

本发明的具体实施步骤如下：

第1步：采用高压喷砂机(STR-1212,STELLE,China)对镍基高温合金基底(In718)表面进行喷砂处理，表面粗糙度经粗糙度测试仪(SJ-310,Mitutoyo,Japan)测定后控制在4.5～5.5μm；

第2步：采用超音速火焰喷涂法在高温合金基底上喷涂一层150μm左右的金属粘接层；

第3步：采用同样的方法对粘接层表面进行喷砂处理，控制其粗糙度在4～5μm；

第4步：采用大气等离子喷涂法在金属粘接层上制备一层300μm左右的氧化锆陶瓷层，完成重型燃气轮机热障涂层制备；

第5步：将其放置在1100℃马弗炉中高温氧化100小时，保证其界面形成热生长氧化物(TGO，Al₂O₃:Cr³⁺)，随后取出试样；

第6步：利用荧光光谱仪(Horiba 800)测量高温氧化后重型燃气轮机热障涂层界面热生长氧化物(TGO，Al₂O₃:Cr³⁺)中的Cr³⁺离子荧光信号，并记录692nm与694nm峰位附近的荧光光谱；

第7步：将氧化后的热障涂层试样放置于盛有矿物油或环氧树脂的烧杯中，并将其整体置于密闭的真空箱中进行抽真空操作，并在10^-4Pa真空度下保持60～100分钟；

第8步：使真空箱缓慢吸气，升压速率小于100Pa/min，直至真空箱内外压相持平，即可得到界面氧化物荧光信号增强后的重型燃气轮机热障涂层；

第9步：利用荧光光谱仪(Horiba 800)，测量经过矿物油真空渗入的重型燃气轮机热障涂层界面氧化物(TGO，Al₂O₃:Cr³⁺)中的Cr³⁺离子荧光光谱，并记录692nm与694nm峰位附近的荧光光谱；

第10步：处理数据，对比矿物油真空渗入前后热生长氧化物(TGO，Al₂O₃:Cr³⁺)中Cr^{3 +}的692nm、694nm荧光峰位信号，并得出结论。

图1是在荧光光谱仪(Horiba 800)的激光激发下，重型燃气轮机热障涂层界面热生长氧化物(TGO，Al₂O₃:Cr³⁺)中Cr³⁺离子的荧光信号测量原理示意图。

图2为重型燃气轮机热障涂层界面热生长氧化物(TGO，Al₂O₃:Cr³⁺)中Cr³⁺离子的典型荧光光谱及荧光峰位图(692nm、694nm)。

图3是真空度为10^-4Pa时，矿物油真空渗入前(虚线)与渗入后(实线)的Cr³⁺离子荧光信号强度对比图。可以发现：重型燃气轮机热障涂层界面热生长氧化物(TGO，Al₂O₃:Cr³⁺)中Cr³⁺离子的荧光信号强度，在矿物油真空渗入后得到了极大地提升。其中，692nm峰位的荧光信号平均强度从3523.6提升到17634.9，增大了5.0倍；694nm峰位的荧光信号平均强度从4105.3提升到24865.1，增大了6.1倍。