电子束物理气相沉积 YSZ 热障涂层研究
于海涛，宋希文，牟仁德，何利民，谢 敏，周 芬，安胜利
稀土
摘 要:热障涂层陶瓷面层常用的材料为 6% ～8% ( 质量分数) Y2O3部分稳定的 ZrO2( YSZ) 。利用电子束物理气相沉积法( EB － PVD) 制备了 YSZ 热障涂层，并对其显微结构、相组成进行了分析。结果表明，YSZ 涂层具有典型的 EB － PVD 制备涂层的柱状晶结构，相成分为 t/t'相。
关键词:热障涂层; 电子束物理气相沉积; 显微结构; 相成分
热障涂层是由隔热性能优良的陶瓷面层和起粘结作用的底涂层组成的防热系统，使高温燃气和工件基体金属之间产生很大的温降，以达到延长航空发动机热端部件使用寿命、提高热机热效率的目的［1 ～5］。
等离子喷涂法( PS) 和电子束物理气相沉积法( EB － PVD) 是制备热障涂层的主要技术［6 ～10］。与等离子喷涂法相比，电子束物理气相沉积法具有以下优势: ( 1) 所制备的热障涂层更致密，抗氧化和抗热腐蚀性能更好; ( 2) 涂层的界面以化学键结合为主，结合力显著增强; ( 3) 涂层表面光洁度更高，不封堵叶片的冷却气体通道，有利于保持叶片的空气动力学性能; ( 4) 涂层的显微组织由许多彼此分离的柱状晶组成，柱状晶结构使涂层具有更高的应变容限，涂层的热循环寿命比等离子喷涂法制备的涂层热循环寿命提高约八倍［11 ～13］。因此，目前电子束物理气相沉积是制备航空发动机热障涂层的主要方法。
热障涂层陶瓷材料一般应具备以下七点基本功能: ( 1) 熔点高; ( 2) 在室温与工作温度之间的温度范围内没有相变; ( 3) 热导率低; ( 4) 化学稳定性高;( 5) 热膨胀系数与金属基体接近; ( 6) 与金属基体具有良好的结合力; ( 7) 烧结收缩率低。其中以线性膨胀系数、热导率和高温稳定性最为重要。适合这些条件的热障涂层材料非常有限，迄今为止只发现极少的材料基本符合这些要求［14，15］。
YSZ 不仅是固体氧化物燃料电池常使用的电解质材料［16，17］，而且也是热障涂层陶瓷面层常用的材料。本实验利用 EB － PVD 法制备了 YSZ 热障涂层，并对其显微结构和相成分进行了分析。
1 实验
实验用基体材料为定向凝固铸造镍基高温合金DZ125，利用 A － 1000 Vacuum Arc Ion － Plating Unit型电弧离子镀物理气相沉积设备制备 NiCoCrAlY 金属粘结层，采用 UE204B 型电子束物理气相沉积设备制备 YSZ 热障涂层。
利用 FEI － QUANTA400 型环境扫描电子显微镜( SEM) 观察热障涂层的形貌。Bruker D8 Advance型 X 射线全自动衍射仪( XRD) 对热障涂层相成分进行分析，分析条件为 CuKа 辐射，工作电压为40kV，工作电流为 200mA，扫描范围为 10° ～ 90°，扫描速度为 6°/min。
2 结果与讨论
2． 1 涂层的显微结构
图 1 为 YSZ 热障涂层的断面形貌。由图 1 可以看出，YSZ 热障涂层具有典型的 EB － PVD 制备涂层的柱状晶结构。该种柱状晶结构可以提高热障涂层的应变容限，使热障涂层具有更长的使用寿命［11］。部分柱状晶垂直于金属粘结层，这些柱状晶相互平行。因此柱状晶之间的间隙平行于热流方向，无法有效阻止热流向金属粘结层的扩散［18］。另外部分柱状晶与金属粘结层呈一定的角度，这些柱状晶与垂直于金属粘结层的柱状晶之间会形成封闭的气孔或气隙，封闭气孔的存在使得陶瓷涂层的热传导过程十分复杂，它除了 YSZ 材料本身在不同温度条件下的电子热传导、声子热传导和光子热传导之外，还多了气孔或气隙对热传导的阻碍即热阻，对YSZ 涂层的热扩散系数产生了很大的影响，增大了YSZ 热障涂层的隔热效果。
YSZ 热障涂层的表面形貌如图 2 所示，由图看出，YSZ 热障涂层柱状晶的顶端呈棱锥状，这与文献［10，19］相似。这一特点使热障涂层表面具有较高的光洁度，不封堵热端部件的冷却气体通道，有利于保持热端部件的空气动力学性能［11］。另外，由图还可得知，柱状晶的晶间距大小不一，与文献的报道有所不同［20］。
图 3 为 YSZ 热障涂层的截面形貌及其元素线扫描结果。从 YSZ 热障涂层的截面形貌 ( 图 3a)中可以清晰的看到，金属基体、金属基体上的粘结层以及与粘结层相连接的陶瓷面层，并且金属基体、金属粘结层和陶瓷面层之间的界面非常清晰。另外由 YSZ 热障涂层的截面形貌元素线扫描图( 图 3b ～3h) 可以看出， ( 1) 陶瓷面层的主要成分是 Zr、Y，其中 Zr 的含量较多，而 Y 的含量相对较少; ( 2) 金属粘结层中主要包含 Ni、Co、Cr、Al、Y 等成分。
2． 2 涂层的相分析
氧化锆热障涂层陶瓷面层的熔点高，具有良好的高温稳定性、高温耐腐蚀性和耐磨损性，热导率低，热膨胀系数大，有良好的抗热循环性能。因此，氧化锆热障涂层陶瓷面层以其良好的综合性能而成为热障涂层陶瓷面层的首选材料。纯氧化锆具有同素异晶转变，常温下稳定相为单斜结构; 高温下稳定相则为立方结构［6］。氧化锆从正方相向单斜相转变，同时伴随 3% ～ 5% 的体积膨胀，并吸收热量11. 8 kJ / mol，导致了涂层破坏，为避免在热循环过程中出现相变，氧化锆中必须加入稳定剂［21，22］。
本试验利用 EB － PVD 制备了 YSZ 热障涂层。并对 YSZ 热障涂层的相成分利用 X 射线全自动衍射仪进行了分析，如图 4 所示。图 4 中没有发现Y2O3的衍射峰，说明 Y2O3完全固溶在 ZrO2晶格中，Y3 +取代 Zr4 +形成了置换固溶体。与标准图谱对比，YSZ 热障涂层沉积态时的相成分以 t/t'相为主，这一结果与文献［19，23］一致。
3 结论
1. 利用 EB － PVD 成功制备了 YSZ 热障涂层，涂层陶瓷面层为柱状晶结构。部分柱状晶垂直于金属粘结层，部分柱状晶与金属粘结层呈一定的角度，这一特点有利于提高 YSZ 热障涂层的隔热效果。
YSZ 热障涂层的相成分为 t / t'，不含其它杂相。
参考文献略
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