粒子飞行速度对热障涂层结构和性能影响
王世兴 ，刘新基 ，沙爱星
热喷涂技术
摘 要：采用常规等离子喷涂(APs)和超音速等离子喷涂(SAPS)PI~种工艺制备了热障涂层，研究表明：两种等离子射 流中粒子表面温度相近，SAPS工艺中粒子飞行速度达到430m／s，比APS工艺(200m／s)粒子飞行速度提高1倍。由于 SAPS工艺中等离子射流速度高，熔融粒子在等离子射流中产生雾化形成尺寸较小粒子，伴随粒子撞击基体的速度提高，增加了熔融粒子撞击基体能量，在基体上形成厚度薄和飞溅少的“板条”，加强了“板条”与基体或“板条”与“板条”间结合，消除了APS工艺制备的热障涂层中典型层状结构，使热障涂层结合强度和抗热震性能分别提高40％和 1倍。
关键词：等离子喷涂；热障涂层；超音速等离子喷涂；微观结构；热震
在过去几十年里，Ni基高温合金的发展使其承温能力不断提高，但受Ni基高温合金熔点、力学性能、抗腐蚀和氧化等综合因素的限制，高温合金使用温度一般不超过1000oC，短时间工作可为 1 100oC，而高性能航空发动机涡轮前进口温度已远高于这一温度，采用气膜冷却技术最大可使热端部件表面温度降低500摄氏度。即使采用气膜冷却技术的高温合金叶片也难以满足高性能航空发动机的需求。在现有冷却条件下，厚度为250 m的热障涂层(TBCs)可将叶片表面温度降低约l10—165oC ，相当于过去几十年高温合金承温能力提高所取得的进展。
TBCs制备技术主要有电子束物理气相沉积(EB—PVD)和大气等离子喷涂(APs)，EB—PVD制备的TBCs主要应用于航空发动机转动部件[1]。APS制备的TBCs为层状结构，自2O世纪60年代以来主要应用于航空发动机燃烧室和火焰筒等静止部件[1]。且APS制备的TBCs抗冲蚀性能有限，限制了其应用范围扩展。
APS工艺中，影响涂层结构和性能的主要因素是粒子撞击基体前的温度和速度。目前，APS工艺中，粒子速度较低，一般不超过230rn／s，如Metco9M、F4及SG—l00 等，熔融粒子撞击基体能量较低，粒子变形、铺展不充分，扁平化粒子或“板条”之间结合欠佳。1986年美国Browning公司开发了PlazJet超音速等离子喷涂设备，粒子速度可达400～600m／s，是常规APS工艺中粒子速度的2～3倍。粒子速度的提高增强了“板条”间结合，有望提高热障涂层结合强度和抗热震性能，引起国内外研究者的重视。
本文跟踪国内外等离子喷涂发展，重点就粒子撞击基体的速度对热障涂层微观结构和涂层性能的影响开展了研究。
1试验方法
1．1试验材料
以热喷涂粉末粒度范围和松装密度分别为37— 61 m和1．9g／cm3的纳米YSZ为陶瓷层热喷涂粉末。粘结 层热喷涂粉末是粒度范围为15～45 m的NiCrA1Y。热震试样和结合强度试样基体材料分别为40mm× 20mm X 3mm的GH4169高温合金和 25．4mm X8mm的2Cr1 3不锈钢，涂层微观结构分析用基体试样为GH4169高温合金。
1.2试样制备
采用超音速火焰喷涂(HVOF)和超音速等离子 喷涂(SAPS)制备厚度为100 m的NiCrA1Y粘结层，分别采用普通等离子喷涂(APS)和超音速等离子喷涂(SAPS)在HVOF和SAPS制备的粘结层上制备陶瓷层，APS和SAPS制备YSZ陶瓷层的喷涂功率分别为45kW和69kW。
1．3性能表征
采用S-3400型扫描显微镜分析陶瓷层微观结构和单个扁平化粒子形貌，用3D显微镜分析单个扁平化粒子形貌和厚度，用SprayWatch一2i在线监测系统监测粒子在等离子射流中温度和速度，用拉伸试验机测试热障涂层结合强度，根据HB7269测试热障涂层抗热震性能，测试条件为1 100℃保温10min后取出并快速放人温度约20 +（—）5℃水中。
2结果分析与讨论
2．1喷涂距离对粒子温度／速度影响
在等离子喷涂涂层中，当基体温度、粗糙度等一定的情况下，影响涂层微观结构和性能的主要因素是喷涂热喷涂粉末撞击基体前的温度和速度，实际工作中涂层制备工艺优化和控制也是围绕控制粒子温度和速度展开，图1为采用SprayWatch一2i在线监测系统测试的等离子射流中粒子平均飞行速度和粒子平均表面温度与喷涂距离的关系。由图1(a)可知，随喷涂距离增加，粒子温度变化趋势分为两个阶段，在小于90ram时，随喷涂距离增加，粒子温度逐渐增加，大于90mm时，粒子温度趋于平稳并有下降趋势，在整个喷涂距离下，粒子速度具有下降趋势，在喷涂距离为80～90mm下，粒子具有最高温度和速度。对于SAPS工艺来说，粒子温度和速度具有相似的变化趋势，在喷涂距离小于90mm时，随喷涂距离增加，粒子温度和速度均具有增加趋势，在90—100mm范围内，粒子温度增加趋于平稳，而粒子速度呈逐渐下降趋势。
SAPS与APS两种工艺相比，粒子温度相近，APS工艺中粒子最高温度约为2900oC，SAPS工艺中由于采用内送粉，粒子温度略高，粒子最高温度约为3200~(2，两种工艺下温度相差约10％。两种工艺中，粒子速度差异比较明显，APS工艺下，粒子最高速度约200m／s，SAPS工艺下，粒子最高速度达430m／s，是APS工艺中粒子速度的2倍。
2.2热障涂层微观结构
由图1可知，对于APS工艺来说，喷涂距离为90mm时，粒子具有最高温度，同时粒子速度下降有限，SAPS工艺在100mm时具有最高温度和速度，提高粒子撞击基体前的温度和速度有助于粒子在基体上铺展，制备出高性能涂层。图2为APS和SAPS在喷涂距离为90mm和100mm下制备的热障涂层微观结构，由图2可知，采用两种工艺制备的热障涂层中，陶瓷层与粘结层结合紧密，在陶瓷层／粘结层界面及陶瓷层内部无裂纹，陶瓷层结构 均匀。
涂层中孔隙作为热源散射点，是降低热障涂层热导率的主要组成部分，相比APS来说，采用SAPS制备的热障涂层未大幅度降低涂层孔隙率，从另一个方面反映了采用SAPS制备的热障涂层对隔热性能不会产生显著影响。
等离子喷涂涂层是由大量熔融粒子在基体上形成的“板条”不断叠加而成，图3为APS和SAPS工艺制备的热障涂层断面形貌，由图3(a)可知，APS制备的热障涂层中“板条”之间存在明显的层间界面，这种界面是由于熔融粒子在基体上或已沉积涂层表面急剧冷却、收缩所致。在“板条”中间及“板条”界面上也存在许多孔隙，这些孔隙的存在可有效降低涂层热导率。从断口形貌来说，SAPS与APS制备的热障涂层微观结构存在明显差异，如图3(b)所示，在SAPS制备的涂层中无明显层间界面，熔化良好的粒子形成的“板条”之间结合紧密。另外，在涂层中还伴随有半熔融态热喷涂粉末形成的等轴晶和未熔热喷涂粉末形成的纳米晶，等轴晶是纳米YSZ在沉积到基体前已发生熔化一凝固后，以半熔融状态沉积到基体所致，在等轴晶区域同时也伴随有大量微小孔隙。涂层中的未熔粒子仍然以纳米晶状态存在，可降低热障涂层热导率[9]。在后续章节中将讨论两种工艺制备的涂层结构存在差异的原因。
未完
图略
参考文献略
本站文章未经允许不得转载；如欲转载请注明出处，北京桑尧科技开发有限公司网址：http://www.sunspraying.com/
|
