KLA InstrumentsTM小課堂

定期分享KLA Instruments旗下產(chǎn)品的各種技術(shù)資料、應(yīng)用筆記和使用指南。

旗下產(chǎn)品包括：探針式/光學(xué)輪廓儀、納米壓痕儀、薄膜測(cè)厚儀、方阻測(cè)量?jī)x等測(cè)量?jī)x器。

本期課程：

熱障涂層的快速納米壓痕成像研究

（關(guān)鍵詞：熱障涂層；黏結(jié)層；多孔陶瓷；彈性模量；納米壓痕；相變；硬度；）

研究背景

熱障涂層作為高溫環(huán)境中關(guān)鍵的表面工程體系，廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)葉片等部件。典型的熱障涂層由如下結(jié)構(gòu)組成：黏結(jié)層（通常為鋁鉻鎳合金），多孔陶瓷頂部涂層（如釔穩(wěn)定氧化鋯），以及在高溫下于兩者界面處形成的熱生長(zhǎng)氧化層。該體系在高溫等極端環(huán)境下，經(jīng)歷復(fù)雜的熱和機(jī)械耦合過(guò)程，伴隨氧化反應(yīng)、相變、孔隙演化與裂紋等微觀結(jié)構(gòu)變化，從而對(duì)整體使用壽命產(chǎn)生顯著影響。圖1顯示了飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的剖面圖，展示了氣流路徑中溫度和壓力的變化。

圖 1. 飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的剖面圖，展示了氣流路徑中溫度和壓力的變化。

因此，準(zhǔn)確獲取熱障涂層各層及界面區(qū)域在微米尺度下的局部力學(xué)性能，對(duì)理解其演化機(jī)制及預(yù)測(cè)其失效行為具有重要意義。然而，界面與薄層區(qū)域通常厚度微小、結(jié)構(gòu)異質(zhì)性強(qiáng)，傳統(tǒng)力學(xué)測(cè)試手段難以實(shí)現(xiàn)高分辨率、空間連續(xù)的力學(xué)表征。

圖2熱障涂層系統(tǒng)的（a）多層結(jié)構(gòu)示意圖和（b）橫截面掃描電子顯微鏡圖像。轉(zhuǎn)載自《MRS Bulletin》，2012年10月。

實(shí)驗(yàn)方法

本研究采用 KLA 納米壓痕儀結(jié)合 NanoBlitz 3D 模組，對(duì)熱障涂層進(jìn)行高速力學(xué)性能成像。NanoBlitz 3D 能夠以每點(diǎn)小于 1 s 的速度完成樣品表面探測(cè)、加載、卸載與移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)包含超過(guò) 10,000 個(gè)壓痕點(diǎn)的大面積成像。基于熔融石英進(jìn)行面積函數(shù)標(biāo)定與機(jī)架剛度校正后，對(duì)各壓痕點(diǎn)采用 Oliver–Pharr 方法計(jì)算硬度與彈性模量。測(cè)試包括原始態(tài)樣品以及經(jīng)過(guò) 5、10、100 次熱循環(huán)后的樣品，區(qū)域涵蓋黏結(jié)層、陶瓷頂部涂層及界面熱生長(zhǎng)氧化層。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與討論

納米壓痕成像結(jié)果清晰揭示了熱循環(huán)過(guò)程中熱生長(zhǎng)氧化層的逐步形成與厚度增加。如圖3所示，在原始態(tài)樣品中，無(wú)顯著熱生長(zhǎng)氧化層特征；而在 5 次循環(huán)后，力學(xué)性能圖與顯微組織中均能觀察到連續(xù)的高模量區(qū)，證明了熱生長(zhǎng)氧化層的形成。隨著熱循環(huán)次數(shù)增加，熱生長(zhǎng)氧化層的厚度變化呈典型的拋物線特點(diǎn)，該現(xiàn)象與文獻(xiàn)中對(duì)熱生長(zhǎng)氧化層生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)的認(rèn)識(shí)一致1,2。由于熱生長(zhǎng)氧化層與相鄰材料具有顯著的彈性模量差異，其生長(zhǎng)引發(fā)界面處的應(yīng)力集中。在經(jīng)歷 100 次熱循環(huán)的樣品中，界面上方陶瓷層中出現(xiàn)微裂紋，成像中表現(xiàn)為局部硬度與彈性模量的下降。

圖3. 頂部涂層-黏結(jié)層界面的（SEM）微觀照片及相應(yīng)的硬度和彈性模量分布圖顯示了熱生長(zhǎng)氧化層的生長(zhǎng)情況：(a，第一列) 涂層初始態(tài)；(b，第二列) 經(jīng)過(guò)5個(gè)熱循環(huán)后；(c，第三列) 經(jīng)過(guò)10個(gè)熱循環(huán)后；(d，第四列) 經(jīng)過(guò)100個(gè)熱循環(huán)后。

隨著熱循環(huán)次數(shù)的增加，除了熱生長(zhǎng)氧化層外，黏結(jié)層中 β-NiAl 相的逐漸消耗也可從圖3的硬度圖和微觀結(jié)構(gòu)圖中清晰地觀察到。β 相的減少意味著黏結(jié)層內(nèi)部的相組成發(fā)生變化，這一變化會(huì)直接影響材料局部硬度，從而在硬度成像圖中呈現(xiàn)清晰的空間分布差異。

為進(jìn)一步挖掘力學(xué)性能成像中物相級(jí)別的信息，本研究使用的聚類算法在去卷積后保留了物相分布空間信息，從而能夠從力學(xué)性能圖重建相分布圖。此外，聚類算法不需要預(yù)設(shè)輸出范圍，而曲線擬合分析則需要。從硬度圖得到的去卷積圖，以及樣品的微觀結(jié)構(gòu)（經(jīng)過(guò)五次熱循環(huán)）如圖4所示。從圖4c的去卷積硬度圖可以看出，圖4b中的性能圖已經(jīng)根據(jù)硬度數(shù)據(jù)分成了三個(gè)不同的集群，在本例中分別是 (1) β-NiAl, (2) γ/γ′-Ni 和 (3) 由于內(nèi)部氧化形成的氧化物。可以認(rèn)為每個(gè)集群中數(shù)據(jù)點(diǎn)的均值和標(biāo)準(zhǔn)差代表對(duì)應(yīng)相的均值和標(biāo)準(zhǔn)差。

圖4. 五次熱循環(huán)后的黏結(jié)層的(a) 微觀結(jié)構(gòu), (b) 硬度圖, 以及 (c)去卷積后的硬度圖。

結(jié)論

使用KLA納米壓痕儀并結(jié)合NanoBlitz 3D高速成像技術(shù)對(duì)熱障涂層，特別是黏結(jié)層和頂部涂層之間的界面層進(jìn)行了研究。研究表明，熱障涂層的微觀結(jié)構(gòu)與局部力學(xué)性能之間有極佳的相關(guān)性，在不同層之間的界面以及多孔的頂部涂層中也是如此。本研究獲得的物相級(jí)性能可以直接用于基于微觀結(jié)構(gòu)的有限元分析，快速納米壓痕也為未來(lái)建立數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的材料性能預(yù)測(cè)模型奠定了基礎(chǔ)，是熱障涂層的失效機(jī)制研究與壽命評(píng)估強(qiáng)有力的實(shí)驗(yàn)工具。