等离子喷涂纳米热障涂层热震性能
王东生, 田宗军, 杨 斌, 黄因慧
材料热处理技术
内容导读：氧化钇稳定氧化锆涂层是典型的热障涂层，但是常规和纳米结构的有什么区别呢?这篇文章针对这个涂层的热震性能进行了详细介绍。
摘 要：采用等离子喷涂工艺制备常规和纳米结构 ZrO2-7%Y2O3热障涂层，比较两种涂层在 850 ℃下的热震性能，并探讨其热震失效机理。 结果表明，不管是首次出现宏观裂纹(局部剥落)还是达到热震失效，纳米结构热障涂层的热震次数都明显高于相应的常规涂层。相对于常规涂层，纳米结构涂层有较好的抗热震性能。等离子喷涂常规热障涂层的热震失效形式为大面积整体剥落，而纳米结构热障涂层热震失效形式为边角局部剥落。
关键词：等离子喷涂； 热障涂层； 纳米结构； 热震性能；热喷涂粉末
现代航空发动机的工作温度越来越高 ，如F119、F135 等采用的推重比 10 以上发动机涡轮进口温度最高已达1850 ℃，一方面，改善叶片冷却结构(如同时具有对流、冲击及气膜冷却效果的双层壁高效冷却叶片[1])提高冷却效率已成为国内外涡轮叶片设计与制造者所追求的目标；另一方面，在叶片表面制备各种形式的热障涂层是解决目前发动机高温部件工作温度必不可少的措施之一[2]，因此，热障涂层制备成为现阶段研究的一个热点问题。
对于在高温热冲击环境中工作的热障涂层，热震性能是其主要技术指标之一。 它反映了热障涂层在加热和冷却的循环过程中， 抵抗温度突变并保持其结构完整性的能力，是对涂层物理性能、力学性能以及结构特性的综合评价。 提高热障涂层热震性能的主要方法有制备梯度热障涂层[3]，制备纳米结构热障涂层[4-5]及对等离子喷涂热障涂层进行激光重熔处理[6-7]等等。
文中采用等离子喷涂方法制备了常规和纳米结构ZrO2-7%Y2O3(质量分数)热障涂层，通过对两种涂层热震性能的考察，讨论热障涂层热震失效机理，旨在探讨纳米材料在热障涂层制备方面的优越性。
1实验材料及方法
实验用基体材料为钢铁研究总院高温材料研究所熔炼的γ-TiAl 基合金(TAC-2)，尺寸为 20 mm ×20 mm × 8 mm。 以北京矿冶研究总院金属材料所生产KF-113A 粉末作为过渡层材料。 普通陶瓷材料为沈阳荣华生产的粒度为20～74 μm 的 ZrO2-7%Y2O3陶瓷粉末(以下简称为 YPSZ)；纳米团聚体粉末是采用喷雾干燥法制备的美国Inframat 公司生产的牌号为Nanox 4007 热喷涂粉末，其名义成分为 ZrO2-7%Y2O3(以下简称为纳米YPSZ)，相应的热喷涂粉末形貌见图 1。
采用美国普莱克斯公司生产的3710 型等离子喷涂系统制备热障涂层。 等离子喷涂的工艺参数及过程详见文献[8-9]，关于所制备涂层的微观组织结构也已经作了详细讨论，本文不再展开。
热震试验参考航空工业标准HB7269-96 进行。测试中采用SX2-4-9 箱式电阻炉加热， 加热温度到850 ℃保温 15 min， 然后迅速从炉中取出在室温自来水中水淬冷却，用干燥箱干燥后，对试样表面情况进行观察并拍照，重复这一过程直至试样失效(涂层表面10%以上面积出现剥落)。 利用 JSM-7100F 型(JEOL)场发射扫描电镜观察热震后试样的形貌，并讨论热障涂层热震失效机理。
2结果及分析
2.1 热障涂层热震试验结果两种不同的热障涂层
850 ℃热震试验的结果见表1。 可看出，不管是首次观察到宏观裂纹(局部剥落)还是涂层表面达到 10%以上面积剥落，纳米结构
涂层都要明显高于相应的常规热障涂层， 表明纳米涂层具有较好的抗热震性能。
图2 为等离子喷涂常规 YPSZ 涂层 850 ℃热冲击过程中表面变化照片。在热震 54 次后涂层表面出现了如图2 (b)所示的明显的宏观裂纹，随着热震次数的继续增加， 裂纹在涂层表面迅速扩展， 在热震73 次后就导致涂层大面积整体剥落从而使涂层失效，见图 2(c)，而且其剥离面比较平整，表明陶瓷表面层与结合底层为机械分离。
图3 为等离子喷涂纳米 YPSZ 涂层 850 ℃热冲击过程中表面变化照片。 可看出其与图 2 的等离子喷涂常规热障涂层的热震破坏形式有明显不同。 在热震过程中， 等离子喷涂纳米 YPSZ 涂层并没有出现明显的宏观裂纹，而是在热震 87 次后在涂层边缘尖角处出现少量局部剥落，见图 3(b)，随热震次数的继续增加，边界剥落区域变多变大，在热震 146 次后涂层失效，见图 3(c)，失效的涂层没有出现图 2(c)所示的整体大面积剥落。 等离子喷涂纳米 YPSZ 涂层直至热震失效只有边角处的剥落，这和边缘尖角处于应力集中状态有关，也表明其有较好的抗热震性能。
2.2 热震结果分析
图4 为等离子喷涂常规 YPSZ 涂层 850 ℃热震后表面未剥落区域的微观形貌。可看出其表面有明显的网状裂纹。涂层的抗热震性能取决于涂层在热冲击条件下承受热应力的能力及涂层的强度。 对离子喷涂YPSZ 热障涂层内部存在着孔隙和结合薄弱的层状结构，在热循环作用下，这些区域容易形成裂纹源， 热应力反复作用下， 界面水平裂纹会迅速扩展，导致涂层的剥落，表现为较差的热震性能。 作者的前期研究表明[8]，等离子喷涂常规 YPSZ 涂层的抗高温氧化性能要差于纳米YPSZ 涂层， 在高温氧化过程中在陶瓷层和过渡层界面的热生长氧化物(TGO)生长也较快，相应的在热震过程中 TGO 生长速度也会较快， 虽然 TGO 膜对于阻止过渡层的进一步氧化以及保护基体是很重要的，但过厚的 TGO会降低过渡层的结合力，从而加速导致涂层的剥落。热震试验的结果也表明， 等离子喷涂 YPSZ 涂层在经过相对较少数量(73 次)的热震后就出现大面积的表面陶瓷涂层从结合层脱离而失效。
图5 为等离子喷涂纳米 YPSZ 涂层 850 ℃热震后未剥落区域表面微观形貌。与常规YPSZ 涂层相比，网状裂纹明显细小得多，这与纳米结构对涂层韧性的提高有很大关系。等离子喷涂纳米结构涂层保留了相当比例的微/ 纳米颗粒组织， 对陶瓷涂层起到了颗粒增韧作用， 这些组织可以在材料断裂时促使裂纹发生偏转和分叉， 消耗断裂能， 从而提高韧性。 文献[10]研究了涂层组织结构对涂层裂纹扩展方式和热震性能的影响，结果表明，常规涂层中裂纹扩展为沿晶断裂和穿晶断裂， 穿晶断裂的发生导致热震性能降低； 而纳米结构涂层中裂纹扩展是沿晶界进行， 裂纹扩展路径较长， 从而增加了其开裂阻力， 这有利于纳米涂层的抗热震性能。 热震试验结果表明纳米结构涂层有较好的抗剥落能力， 这一方面与纳米组织对涂层的韧性提高有关， 另外也与涂层的结合强度有关，结合情况越好，结合强度越高，涂层在界面处的开裂就越不容易形成， 越有利于涂层的抗热震性能。等离子喷涂纳米团聚体粉末时，由于粉末比表面积大， 活性高而使其表面较易被加热熔融，粉末表面熔化程度较好，因此纳米颗粒撞击到基体或已沉积表面后变形剧烈， 平铺性明显要优于常规粉末。所以，纳米结构涂层与基材或过渡层的结合要好于常规等离子喷涂层， 表现为较高的结合强度。 良好的结合提高了纳米结构涂层抗结合层界面处产生水平开裂的能力， 从而也提高了纳米结构涂层的抗热震性能[11]。
3结论
(1) 等离子喷涂常规和纳米 ZrO2-7%Y2O3热障涂层850 ℃热震试验表明： 不管是首次出现宏观裂纹(局部剥落)还是达到热震失效，纳米结构热障涂层的热震次数都明显高于相应的常规涂层，相对于常规涂层，纳米结构涂层有较好的抗热震性能。
(2) 等离子喷涂常规热障涂层的热震失效形式为大面积整体剥落，而纳米结构热障涂层热震失效形式为边角局部剥落。
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/
|
