ZrO2-Ni等离子喷涂涂层的残余应力

 ZrO₂-Ni系热障涂层在航空燃气涡轮发动机、燃气轮机上已得到应用。梯度热障涂层研究与开发的兴起促进了热障涂层的进一步发展。在等离子喷涂过程中, 熔融粉末的沉积和基体的受热膨胀以及形成涂层时的收缩将会使涂层内产生残余应力,残余应力的大小对涂层性能有较大的影响。对不同成分单层涂层表面的Ni和ZrO₂分别测定其峰位衍射角2θ_i 随J_i角的变化关系, 以sin²J_i为横坐标,2θ为纵坐标, 对测试点进行直线拟合, 计算其斜率M_i，如此计算的涂层表面应力随成分的变化关系如图1所示, 可以看到, 涂层表面的残余应力较小, 在几十兆帕范围内变化, 均为拉应力。原位曲率测试以分析应力的方法已得到广泛应用。测试喷涂前后试样曲率的变化亦可估算涂层内的残余应力。喷涂前磨平试样, 曲率近似为零。喷涂后试样曲率半径R的测定按前述方法进行。涂层内的平均应力可用其剪切力弯曲矩近似估算。对于多层试样采用类似的方法可估算各层内的平均残余应力。对不同Ni含量的ZrO₂-Ni等离子喷涂层的X射线应力分析的表面应力和测试曲率半径计算的平均应力表明喷涂层的残余应力均为拉应力, 两者有较好的相关性。但是, 前者给出的应力值要小些, 这是由于估算后者时未考虑缺陷影响和屈服现象, 因而前者更接近实际应力状态。Kuroda等人对喷涂镍层残余应力的计算值和原位曲率法测量值分别为1060MPa和55MPa，前者和图3的估算值相近，后者和X射线应力分析结果相吻合, 说明喷涂层中实际残余应力较小，计算时未考虑涂层的屈服, 也无法计及涂层缺陷(如孔隙, 微裂纹等) 所松弛的应力，因而总比实际值要大得多。同时，还说明涂层喷涂平均温度随镍含量的增加而降低,在实际喷涂过程中喷枪的功率也是随镍含量的增加而降低, 相应喷涂温度有着相似的变化规律。

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