摘 要：等离子喷涂热障涂层技术广泛应用于航空发动机热端部件的高温防护。应用大气等离子喷涂法成功制备了纳米氧化铈氧化钇稳定的氧化锆（CYSZ）涂层，并与常规氧化钇稳定氧化锆（YSZ）涂层在 1300℃下热处理10 小时，研究高温对两种涂层性能的影响，与常规的 YSZ 涂层相比，CeO2的掺杂使涂层具有更高的稳定性。经过高温处理，CYSZ 涂层的相结构没有发生明显变化。显微形貌结果表明， CYSZ 涂层没有产生裂纹缺陷，涂层中纳米区域晶粒度随着温度的升高略有增大，这表明了纳米结构的 CYSZ 涂层具有更优异的高温稳定性。热循环氧化实验结果证明，CYSZ 涂层具有更长的热循环寿命以及优异的高温抗氧化性能。
关键词：热障涂层；等离子喷涂；纳米 CYSZ；高温性能
热障涂层（thermal barrier coatings，TBCs）技术广泛应用航空发动机，可在高温腐蚀等恶劣环境下对热端部件进行有效的热防护[1-2]，提高航空发动机的效率和操作温度，降低燃料消耗等[3-4]。众多科研工作者开展了对热障涂层的显微结构、热导率和热扩散系数、残余应力以及失效机制的深入研究[5–9]。常规的 Y2O3部分稳定 ZrO2（YSZ）涂层，主要构成为非平衡四方相 -t' 相，在 1200℃的环境下，t' 相逐渐转变为钇含量较高的立方相和钇含量较低的单斜相，立方相继续转化为钇含量较高的 t' 相[4]，其中四方向转变为单斜相伴随的体积变化，易导致热障涂层出现裂纹、剥落，引发灾难性事故。近年来，寻找新型热障涂层材料，替代传统 YSZ 涂层成为了高温涂层领域较为活跃的研究方向。
研究发现，稀土元素具有较高的熔点和化学稳定性，掺杂适量萤石结构的稀土氧化物，如 CeO2，可增强传统 YSZ 涂层中四方相和立方相的稳定性，提升涂层高温性能。根据近年来开展热障涂层材料研究，氧化铈氧化钇稳定氧化锆（CYSZ）是最具希望取代传统 YSZ 的新型涂层材料。与传统的 YSZ 涂层相比，CYSZ 涂层具有更高的相稳定性和抗热震性能[10–14]。耐高温冲蚀能力也得到较大提升[15]。
本实验通过大气等离子喷涂的方法制备纳米结构 CYSZ 涂层以及传统的 YSZ 涂层，在 1300℃高温下处理 10 个小时，对比研究两种涂层热处理前后的相组成、显微形貌以及热循环性能，考核评价涂层的高温稳定性能。
1 实验过程
1.1 等离子喷涂
CYSZ 涂层以及传统的 YSZ 涂层采用大气等离子喷涂系统制备。（GTV-MF- P-HVOF-K-ARC，德国），使用 F6 喷枪，热喷涂粉末成分分 别 为 ZrO2–25CeO2–2.5Y2O3和 ZrO2-8%Y2O3，涂层厚度为 0.4mm，CYSZ 喷涂粉末粒度分布为20 ～ 100µm，团聚前颗粒粒径为 30 ～ 50nm。粘 结 层 厚 度 为 0.1mm（38Co–32Ni–21Cr –8Al–0.5Y）。喷涂前，对基体表面进行喷砂处理以及超声清洗除油。等离子喷涂工艺参数如表1所示。CYSZ 喷涂粉末最佳工艺参数的确定依照先前实验数据结果。通过调节载气流量和送粉盘转速使得送粉速率达到 40 克 / 分。
1.2 涂层结构与形貌分析
热处理前后的涂层相结构分析采用 X 射线衍射仪（PW1880, 飞利浦，荷兰），衍射靶为 Cu 靶，扫描角度范围为 20 ～ 80(° )，步长为 0.02(° )。采用扫描电子显微镜观察粉末和涂层横截面形貌。需对涂层样片进行切割、冷镶、打磨和抛光后，表面进行喷金处理。
1.3 热循环实验
热循环实验采用 1300℃保温后空气冷却。每次循环都在高温炉中保温 10 分钟后冷却至室温。而后对样品的重量进行测量，精度为 0.1mg。
2. 实验结果与讨论
2.1 粉末的形貌分析
图 2 所示为纳米结构 CYSZ 喷涂粉末的 SEM图片。图中可见，粉末为球形（图 2a），图 2b所示为球形粉末团聚体的高倍放大图，粉末由CYSZ 纳米颗粒构成，晶粒尺寸约为 30~80nm。图 3 为传统 YSZ 喷涂粉末。
2.2 涂层显微形貌分析
图 4 为纳米 CYSZ 喷涂粉末制备的涂层横截面显微形貌。图中可以观察到“微米 - 纳米”双态显微结构，由涂层中的“浅色区域”和“深色区域”构成（图 4a）。对深色区域进行局部放大，可以看出此区域与图 2b 中展示的纳米 CYSZ 粉末较为相似，保持了纳米结构。它是由半熔融状态的 CYSZ 纳米粉末镶嵌在涂层结构中形成的。图4a 中的“浅色区域”是喷涂粉末在等离子焰流中完全熔融而后冷却形成。图 4c 为深色纳米区域的放大图。
图 5 为 1300℃下热处理 10 小时后纳米结构CYSZ 涂层的显微形貌，可以观察到，与未经热处理的涂层形貌相比（图 4），涂层保持完好，没有产生明显的裂纹缺陷，保持了较高的稳定性。仅是纳米区域的晶粒有所增大（图 5c），约60 ～ 100nm 左右。
图 6 为传统 YSZ 涂层的显微形貌图，经过1300℃处理 10 小时后，涂层中出现横向裂纹。实验结果表明，高温环境下，纳米结构的 CYSZ 涂层比传统的 YSZ 涂层具有更高的稳定性。涂层中“微米 - 纳米”双态结构可有效释放涂层产生的应力，抑制裂纹的产生。
2.3 涂层的相结构分析
热处理前后的 CYSZ 涂层 XRD 谱线图如图 7所示。喷涂后的涂层主要由非平衡四方相 -t ＇相的氧化锆构成，t ＇相的是由于熔融的喷涂粉末撞击基体时急速冷却形成。在等离子喷涂的过程中，张鑫，等：氧化铈稳定纳米氧化锆高温性能的研究部分高温立方相以快速无扩散相变的方式转变成亚稳态四方相 -t ＇相，没有发生成分的改变。余下的高温立方相氧化锆保留至室温。XRD结果（图7）表明 CYSZ 涂层经过热处理后仅生成少量单斜相，基本全部保持了t＇相，具有较高的相稳定性。
2.4 涂层的热循环氧化实验
热循环氧化实验为了研究两种涂层的循环氧化动力学特征。图 8 为 1300℃下单位循环次数后涂层样品的质量变化曲线。与 CYSZ 涂层相比，常规的 YSZ 涂层在前 20 次热循环试验中质量增加较为明显，经过 20 次热循环试验后，涂层边缘出现碎裂并小片剥落，涂层样品的质量开始下降。100 次循环后，涂层表面碎裂严重。而 CYSZ 涂层经过 100 次循环后增重缓慢，并且涂层完好未出现局部剥落。实验结果表明，CYSZ 纳米结构涂层具有更长的热循环寿命，展示出了良好的抗热循环氧化能力。
3. 结论
通过大气等离子喷涂制备纳米结构 CYSZ 涂层和传统 YSZ 涂层，经 1300℃处理 10 小时后对比两种涂层的性能。结果表明，CeO2的掺杂使涂层相结构更加稳定，经过高温处理后几乎没有发生相变。CYSZ 涂层“微米 - 纳米”双态结构可以有效抑制微裂纹的产生，结果表明，经过高温处理后，CYSZ 涂层并没有裂纹缺陷的产生，仅纳米区域晶粒度有所增大。热循环氧化实验证明了纳米结构 CYSZ 涂层具有更长的热循环寿命和良好的抗氧化能力。“微米 - 纳米”双态结构是保持 CYSZ 涂层高温下相稳定和显微结构稳定性的关键因素。
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/
|
