等离子喷涂和激光熔覆热障涂层隔热性能比较
王东生， 田宗军， 张少伍等
焊接学报
所谓热障涂层( thermal barrier coatings，TBCs)是指由热绝缘陶瓷表面涂层和金属粘结底层组成的涂层系统，是一类常用于航天航空发动机高温热端部件表面的高温防护涂层［1，2］． 隔热性能是评价热障涂层性能的一个主要技术指标，通常以涂覆陶瓷层后基体产生的温降作为评价隔热效果的指标． 隔热效果的好坏将直接关系到航空发动机叶片工作温度的高低，进而影响到发动机的效率． 随着涡轮发动机进气温度的不断提高，要求陶瓷层的隔热温度也越来越高，因此进一步提高热障涂层的隔热能力成为现阶段研究的一个热点．
由于具有沉积速度快、生产效率高、适用范围广等优势，等离子喷涂技术是目前国内、外最常用的热障涂层制备技术之一． 而激光熔覆技术具有高能量密度产生极快的加热速度、功率输出精确可控和熔覆表面区域的可选择性等优点，已引起了广泛的关注和重视，并已广泛应用于表面涂层的制备．文中分别采用等离子喷涂和激光多层熔覆工艺制备了常规及纳米结构 Al2O3-13% TiO2( 质量分数)热障涂层，通过对其隔热性能的测试，探讨了材料结构、制备工艺及涂层厚度等对所制备热障涂层隔热性能的影响．
摘 要: 采用多种方法制备不同类型的 Al2O3-13% TiO2热障涂层，即等离子喷涂常规涂层、纳米结构涂层及激光熔覆纳米结构涂层． 在分析三类涂层微观组织的基础上，对其隔热性能进行了比较． 结果表明，即等离子喷涂常规陶瓷涂层呈典型的层状堆积特征，纳米结构涂层都为特殊的两相结构，其中部分熔化区由类似的残留纳米粒子组成，等离子喷涂纳米结构涂层的完全熔化区为片层状结构，而相应的激光熔覆涂层的完全熔化区则为细小等轴晶． 在相同条件下，等离子喷涂纳米结构热障涂层具有最好的隔热性能，而激光熔覆纳米结构涂层的隔热性能要好于等离子喷涂常规涂层．
关键词: 等离子喷涂; 激光熔覆; 热障涂层; 隔热性能
1 试验方法
试验所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 40 mm× 40 mm × 8 mm． 以北京矿冶研究总院金属材料所生产的 KF-113A 热喷涂粉末作为金属粘结层材料; 常规陶瓷热喷涂粉末是粒度为15 ～45 μm 的普通商用 Al2O3-13%TiO2陶瓷热喷涂粉末( 以下简称为 AT13) ; 纳米陶瓷热喷涂粉末为美国 Inframat 公司制备的牌号为 Nanox S2613P 的纳米团聚体热喷涂粉末，其名义成分为 Al2O3-13% TiO2( 以下简称为 n-AT13) ，团聚体尺寸分布范围为10 ～50 μm，相应的常规和纳米团聚体热喷涂粉末形貌如图1 所示．
采用 等 离 子 喷 涂 制 备 KF-113A 过 渡 层 及AT13 / n-AT13 表面陶瓷层，陶瓷涂层的厚度约为350 μm，喷涂设备采用美国普莱克斯公司生产的3710 型等离子喷涂系统，相应的喷涂工艺参数见文献［3］． 激光多层熔覆 KF-113A 过渡层及 n-AT13表面陶瓷层在 SLCF-X12 × 25 型 CO2激光加工机上进行，具体制备过程见文献［4］． 利用 JSM-7100F 型( JEOL) 场发射扫描电子显微镜观察热喷涂粉末及涂层的微观组织．
涂层隔热性能试验参见文献［5］中的试验方法，在经过改制的高温电炉上进行，试验装置示意图如图 2 所示． 试样固定在电炉炉门上，四周用耐火砖密封，共有 5 类试样． 用热电偶作为温度传感器，一只热电偶置于炉内，测量炉内温度，即试样内表面温度( T0) ，另外 5 个热电偶用于测量试样外表面的温度( T1: 厚度为 350 μm 的等离子喷涂常规热障涂层，T2: 厚度为 350 μm 的等离子喷涂纳米热障涂层，T3: 厚度为 350 μm 的激光熔覆热障涂层，T4: 厚度为 700 μm 的激光熔覆热障涂层，T5: 无涂层基体) ，通过与计算机相连的温度数据采集卡实时记录加热过程中各点的温度，直到炉温达到 1 100 ℃且各个热电偶测得的温度基本维持不变，以稳态时带涂层试样与无涂层试样的隔热温度差作为热障涂层的隔热性能，如用等离子喷涂常规热障涂层试样的内外表面温度差( T0－T5) 与无涂层试样内外表面的温度差( T0－T1) 两者之间的差值( T1－T5) 表示等离子喷涂常规热障涂层的隔热温度，以此类推．
2 试验结果与分析
2． 1 涂层组织结构
等离子喷涂和激光熔覆 AT13 陶瓷涂层的横截面 SEM 形貌如图3 所示． 由图3a 可见，等离子喷涂常规陶瓷涂层是由无数变形粒子相互交错、呈波浪式堆叠在一起的层片状组织结构． 片层之间结合不紧密，存在一些孔隙或孔洞，且分布有微裂纹． 等离子喷涂纳米结构涂层形貌( 图 3b) 表明，喷涂后的纳米陶瓷涂层由纳米颗粒完全熔化区和部分熔化区两部分组成，完全熔化区为与常规等离子喷涂组织结构类似的典型片层状结构特征，而部分熔化区主要由经过一定长大但仍保持在纳米尺度的残留纳米粒子组成． 关于等离子喷涂常规和 n-AT13 涂层的微观组织分析详见文献［3］． 图 3c 为激光多层熔覆n-AT13 陶瓷涂层横截面 SEM 形貌． 可见整个涂层中各层之间无明显界面，过渡缓和自然，涂层内部致密、连续、基本无孔隙及贯穿性大裂纹等缺陷． 涂层由与等离子喷涂纳米结构涂层类似的部分熔化区和完全熔化区两部分组成，但完全熔化区为晶粒细小的等轴晶，部分熔化区由类似的残留纳米粒子组成［4］． 另外相对于上部完全熔化区，下部完全熔化区的晶粒比较粗大，并且表现为上小下大的梯度过渡特征［4］．
2． 2 隔热试验结果
隔热性能测试结果如图 4 所示． 从图 4a 中可以看出: ( 1) 炉温在加热过程中升温最快，基本为线性． ( 2) 试样的升温速度要远低于炉温增加速度，而在各试样中，无涂层的基体升温速度要高于带涂层的试样． ( 3) 各试样升温速度由快到慢依次为无涂层基体试样、厚度为 350 μm 的等离子喷涂常规涂层试样、厚度为 350 μm 的激光熔覆涂层试样、厚度为 350 μm 的等离子喷涂纳米涂层试样及厚度为700 μm 的激光熔覆涂层试样． ( 4) 试样的升温速度越慢，试样达到稳态温度的时间越长，且稳态温度越低． 涂层的隔热温度曲线如图 4b 所示，各试样的隔热温度随时间( 温度) 的增加而有所增加，并逐渐趋于稳定． 各热障涂层的隔热温度在高温电炉加热30min 左右均出现一个较大值，对应的炉温在 750 ℃左右，此后隔热效果在一定范围内波动并慢慢趋向稳定。
表 1 为炉温( T0) 为 1 100 ℃时，且各试样背面温度达到稳定状态时，不同涂层的隔热温度 ΔT． 从表 1 中可以看出等离子喷涂常规和 n-AT13 涂层的温降分别为72 ℃和113 ℃，表明在相同的涂层厚度和测试边界条件下，厚度为 350 μm 的等离子喷涂n-AT13 涂层隔热能力比相应的常规涂层提高 41℃ ，隔热效果增加 57% ． 比较相同厚度的等离子喷涂常规、n-AT13 涂层及激光熔覆 n-AT13 涂层可知，激光熔覆试样的隔热性能介于等离子喷涂常规和n-AT13 涂层之间． 另外就激光熔覆 n-AT13 涂层而言，厚度为 350 μm 及 700 μm 涂层隔热温度分别为86 ℃ 和 137 ℃ ，表明涂层的隔热性能与其厚度密切相关．
2． 3 分析
文献［6］的研究表明，影响热障涂层隔热性能的因素主要包括环境温度、冷却气流的换热系数、涂层的厚度及导热系数． 其中前两个因素是涂层所处的环境参数; 涂层的厚度与涂层设计及制备有关; 而导热系数主要由材料本身的物理性能决定． 在试验中各试样在同一高温电炉内同时测试，外界环境完全相同，因此影响不同热障涂层隔热效果的因素只有涂层厚度及其导热系数．
对于热障涂层，热的传递主要是通过晶格振动( 声子) 和辐射( 光子) 进行的． 由晶格振动引起的导热系数主要由声子的平均自由行程决定，而由辐射引起的导热系数主要与其温度有关． 在温度较低时主要依靠声子传热，而当温度升高时，由辐射所引起的传热所占的比重有所增加［7］． 降低热障涂层导热系数，提高其隔热性能的关键是降低声子的平均自由程，而声子的平均自由程主要由声子间的碰撞引起的散射和声子与晶体的界面和各种杂质、缺陷的作用引起的散射所决定． 声子间碰撞几率越大，声子的平均自由程就越小，热导率越低，材料隔热性能就越好．
对于等离子喷涂试样，由于采用的原始热喷涂粉末结构的差异，使得常规和纳米结构热障涂层的孔隙率、裂纹形态和晶界数量有显著的差异，因而导致隔热效果不同． 与常规涂层相比，纳米结构涂层的微裂纹及孔隙分布更均匀，平均晶粒度也更小． 纳米涂层中均匀的微裂纹有利于降低涂层的热导率、提高隔热效果; 而独立、闭合、分布均匀的孔隙同样可以提高隔热性能; 较小的晶粒使涂层内部的晶界数量远远高于常规涂层，一方面晶界增加了对声子的散射，因此隔热效果较好，另一方面界面之间的距离也随之减小，从而降低了热传导过程中的声子平均自由程，因此热导率随晶粒度的减小而降低［8］．
由于制备工艺的差异，激光熔覆纳米结构涂层的孔隙率很低，平均晶粒尺寸也较大，因此在相同厚度下其隔热效果要差于相应的等离子喷涂试样，但由于平均晶粒尺寸较小，其隔热性能要好于等离子喷涂常规陶瓷涂层． 虽然在同等厚度下激光熔覆试样的隔热效果要低于相应的等离子喷涂试样，但由于采用多层熔覆的方法可以制备大厚度热障涂层，因此采用激光多层熔覆制备热障涂层仍然是提高其隔热性能的有效方法．厚度为 700 μm 及 350 μm 激光熔覆试样涂层隔热温度分别为137 ℃和86 ℃，厚涂层比相应的薄涂层隔热效果提高59%． 众多研究表明陶瓷涂层隔热效果与其厚度近似是线性的［6，9］，而试验中涂层厚度增加一倍，隔热效果并末达到相应的近似线性增加． 分析其原因主要是由于涂层是基于激光多层熔覆的方法制备的，在下部区域会经历激光的周期性反复加热，生成回火组织，出现相对较粗大的晶粒［10］，因此下部区域的平均晶粒直径大于上部位置的晶粒尺寸． 对于厚陶瓷涂层，熔覆层数较多，加热次数多，因此其平均晶粒尺寸较大，相应的声子的平均自由程较大，从而影响到单位厚度涂层的隔热效果． 由图 4b 可知，涂层的隔热效果在较低温度时随温度逐渐增加，到一定温度时达到一个较高值，此后在一定范围内波动，其原因是: ( 1) 辐射导热与温度的三次方成正比［7］，因此在温度较高时，辐射导热系数增加较多，从而使涂层的总导热系数增加，隔热效果变差． ( 2) 归因于涂层加热产生的隔热惯性［9］，由于惯性作用使开始阶段试样具有较快增加的隔热效果，一定时间后上升惯性回落，从而使隔热温度有所下降．
3 结 论
( 1) 等离子喷涂常规 AT13 陶瓷涂层呈典型的层状堆积特征，而相应的等离子喷涂纳米结构涂层为残留纳米粒子的部分熔化区及与常规等离子喷涂类似的片层状的纳米颗粒完全熔化区组成的特殊的两相结构，激光熔覆 n-AT13 陶瓷涂层为类似的两相结构，但完全熔化区为细小等轴晶，而且晶粒尺寸表现为上小下大的梯度过渡特征．
( 2) 在相同的边界条件下，三类热障涂层隔热效果从好到差依次为等离子喷涂纳米结构涂层、激光熔覆纳米结构涂层和等离子喷涂常规结构涂层．
( 3) 在 1 100 ℃时，厚度为350 μm 的等离子喷涂常规涂层、纳米涂层及激光熔覆涂层的隔热温度分别为72，113，86 ℃，而厚度为700 μm 的激光熔覆涂层隔热温度达到 137 ℃．
图略
参考文献略
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