摘 要：本文采用国产纳米 ZrO2-7%Y2O3粉体，通过三阳极等离子喷涂系统（Delta）制备热障涂层，对工艺参数和涂层性能之间的关系进行了研究。根据所采用的 L934 正交试验设计，对工艺参数，孔隙率以及结合强度之间的关系进行统计学分析，结果表明三阳极等离子喷涂系统在采用内径 7mm 喷嘴的情况下，由于射流速度快（约 250 m/s），以及送粉速率大等因素的影响，所制备的热障涂层孔隙率为 14.8%~26.2%，结合强度为13.4~30MPa。等离子弧、氢气流量和送粉速率是影响涂层性能的重要因素，喷涂距离在 100~140mm 之间对涂层性能影响不明显。
关键词：纳米氧化锆；三阳极等离子喷涂；大孔隙率；热障涂层
采用大气等离子工艺制备的氧化钇部分稳定的氧化锆涂层已广泛应用于工业热端部件防护。主要包括航空发动机、舰船、汽车、重工业设备的隔热防护。纳米氧化锆涂层有更多的晶界从而降低了声子的平均自由程，从而具有相比传统微米级氧化锆涂层更低的导热系数和更好的抗热震性能[1-3]，从而获得越来越多的应用。氧化锆涂层的隔热效果以及抗热震性能与其微观组织结构和厚度有密切关系。目前以降低纳米结构热障涂层密度和增加涂层厚度，获得具有更好隔热效果的研究获得广泛的重视。史国栋等人研究表明[4]降低涂层热导率的途径为：（1）降低热载体的平均自由程；（2）降低热载体的速率；（3）降低材料的密度。根据 Kulkarni 等人的研究[5]，等离子喷涂层的孔隙率随粉料粒径尺寸的增大而增大，此外，降低基体温度和增大粒子喷射速度都会提高孔隙率，随涂层孔隙率的升高，其热导率和弹性模量降低。但采用普通等离子喷涂系统制备的热障涂层孔隙率为 4%~20%，受限于等离子射流速度（约 150m/s）难以获得孔隙率更高的热障涂层[6-8]。德国 GTV 公司研制的三阳极等离子喷涂系统（DELTA）可产生更快的粒子射流（约250m/s）和更高的等离子弧功率（50~70 kW）。本文通过该系统制备纳米结构热障涂层，研究了工艺参数、涂层孔隙率和与基体的结合强度之间的关系。
1 实验材料和设备
实验采用的基体材料为 Q235 热轧钢板。选用国产纳米结构 ZrO2-7%Y2O3粉末做为热障涂层面层，粉末的化学成分如表 1 所示，粉末纯度达99.38%。粉末粒度分布为 -60~+25μm，粒子微观形貌和 XRD 图谱分别如图 1 和图 2 所示。由图 1可见部分颗粒为多孔型结构，这种结构有利于获得孔隙细小、孔隙率大的热障涂层。经测试粉末的松装密度为 1860 kg/m3，流动性为 39.87 s/50g。结合底层材料选用北京矿冶研究总院生产的 KF309 牌号的 NiCoCrAlY 真空气雾化高温合金粉末。等离子喷涂设备采用 GTV DELTA 型三阳极大气等离子喷涂系统，该系统用于制备热障涂层陶瓷面层。实验过程中采用 GTV NIR sensor 在线监测仪对粒子流的温度和速度进行检测。超音速火焰喷涂设备采用 GTV K2 型燃油 HVOF 系统，用于喷涂制备热障涂层结合底层。涂层的微观形貌采用S4800 型扫描电镜进行观察，通过在背散射模式下，对涂层断面图像进行二值化处理，计算黑色孔区所占的比例测定涂层孔隙率。涂层结合强度测试采用GB/8642-88 标准进行喷涂制样和性能测试。
实验方案采用 L934型正交表格，因素水平表见表 2 所示。本次实验选择等离子弧功率、氢气流量、喷涂距离和送粉速率做为主要的影响因素。固定主气 Ar 的流量为 40L/min，喷枪横移速率为1m/s，每个试样喷涂 4 遍。
2 结果和分析
2.1 正交试验直观分析
根据 L934 正交表，实验方案如表 3 所示，从表 3 看出在不同的工艺参数配合下，涂层孔隙率变化范围为 14.8%~26.2%，涂层结合强度变化范围为 13.4~30 MPa。对实验结果进行直观数据分析如表 4 所示。根据极差大小分析，可见氢气流量和等离子弧功率和送粉速率均对涂层孔隙率以及结合强度均有较大影响。对孔隙率影响由大到小的因素排序：氢气流量 > 喷涂功率 > 送粉速率 > 喷涂距离；对结合强度影响由大到小的因素排序：喷涂功率 > 氢气流量 >送粉速率 > 喷涂距离。
喷涂功率和氢气流量直接影响到粉末的加热程度，氢气在电离后形成的 H 原子和 H+ 离子相比 Ar 具有与粉末颗粒更快的热交换速率。同时提高了等离子弧的功率和射流速度，是重要的影响因素。而喷涂距离对涂层性能的影响最小。这与 DELTA 喷枪较长的等离子射流有关，由于喷枪功率的提高使其在空气中形成的可见锥形射流长度约 35mm，普通等离子喷枪在 40kW 时的可见射流长度仅为 10~20mm，较长的等离子射流使得粒子流的温度和速度衰减相比普通等离子喷涂慢。送粉速率对涂层性能具有较大影响。送粉速率主要影响了单位时间送入等离子射流的粉粒体积密度，对其与等离子体的热交换充分程度产生直接影响，因此送粉速率也是影响涂层性能的重要因素。
2.2 涂层孔隙率分析
将每种因素的同一水平对应的 3 组实验涂层性能进行平均，如图 3 所示。可见分别随功率的升高、送粉速率升高和喷距的减小，涂层孔隙率降低。
图 4 所示为本次试验（表 3）序号为 2# 和9# 参数所制备的热障涂层断面微观形貌。正交试验表明三阳极等离子喷枪采用 7mm 喷嘴所制备的涂层孔隙率高于普通等离子喷涂热障涂层的平均水平，这与三阳极等离子喷涂设备特性有密切关系。根据 GTV NIRSENSOR 在线监测结果，如图 5 所示为等离子弧功率 65 kW，送粉速率 60 g/min 时，在距离阳极出口不同距离上采集到的粒子射流速率和粒子流的温度。可见在射流方向的 0~120mm 的距离内，粒子流处于加速阶段，并在喷距 120mm 时，粒子流速度达到最大值为 250m/s。在射流方向的 50mm 之外，粒子流温度逐渐降低，喷涂距离为 100mm时，其温度已低于氧化锆的熔点。由于在线监测只能检测粒子表层温度，当速度高达 250m/s 时，由于氧化锆的热导率很低，其心部的温度将显著低于表面值，因此造成粉末颗粒不能完全熔化。导致在随后的撞击扁平化过程中，由于不能产生较大变形，或者由于粉末内部未熔化的多孔状结构保留于涂层中，从而产生大孔隙率的涂层。
2.3 涂层结合强度分析
热障涂层与结合底层之间的结合机理仍为机械结合，因此 NiCoCrAlY 结合底层的表面粗糙度是影响结合强度的重要因素，本次实验测得 GTVK2 喷涂制备的结合底层粗糙度平均值为为Ra5.0μm，Rc 35.1μm。工艺参数对结合强度的影响与对涂层孔隙率的影响具有相似的规律，见图 6。根据正交试验结果，涂层孔隙率与结合强度之间的关系如图 7 所示。对数据进行回归分析，结合强度与孔隙率之间的线性拟合优度为 0.89，涂层孔隙率约低，与基体的结合强度越高。递推可知，涂层孔隙率降低为 5% 左右，结合强度接近 45Mpa。
3 结论
本文研究了三阳极等离子喷涂工艺参数对纳米 ZrO2-7%Y2O3涂层性能的影响规律。结果表明：
（1）三阳极等离子喷涂采用 7mm 喷嘴适合于制备孔隙率 >15% 的热障涂层，这与其等离子射流速度快，粒子熔化程度低有密切关系。（2）喷涂功率、氢气流量和送粉速率是显著影响涂层性能的重要因素，但喷涂距离在100~140mm 之间时，对涂层性能影响较小。（3）涂层结合强度与其孔隙率近似呈线性关系，随孔隙率降低，涂层与基体的结合强度升高。
参考文献略
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