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等离子喷涂氧化锆涂层的组织结构及性能

发布时间:2019-09-11

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  内容提示:等离子喷涂氧化锆涂层的组织结构及性能 蒋雯 (北京理工大学材料学院材料科学与工程专业,北京 100081) 摘 要: 本文介绍了等离子喷涂工艺制备的氧化钇部分稳定氧化锆热障涂层的组织结构,将氧化锆微米涂层和纳米涂层的韧性进行了比较,简述了它在不同基体上的热冲击性能的差异。 关键词:氧化锆;涂层;韧性;热冲击性; 热障涂层由于能有效保护汽轮发动机热端部件,改善发动机性能,提高燃油经济性,因而在发动机技术中获得了广泛应用。在我国,纳米涂层材料的制备和应用研究已被列为国家 [1]“十五”期间材料领域重点研究方向之一。采用等离子喷涂工艺制...

  等离子喷涂氧化锆涂层的组织结构及性能 蒋雯 (北京理工大学材料学院材料科学与工程专业,北京 100081) 摘 要: 本文介绍了等离子喷涂工艺制备的氧化钇部分稳定氧化锆热障涂层的组织结构,将氧化锆微米涂层和纳米涂层的韧性进行了比较,简述了它在不同基体上的热冲击性能的差异。 关键词:氧化锆;涂层;韧性;热冲击性; 热障涂层由于能有效保护汽轮发动机热端部件,改善发动机性能,提高燃油经济性,因而在发动机技术中获得了广泛应用。在我国,纳米涂层材料的制备和应用研究已被列为国家 [1]“十五”期间材料领域重点研究方向之一。采用等离子喷涂工艺制备的氧化钇部分稳定 [2]氧化锆热障涂层(简称 TBC)由于其具有成本低廉、重现性好等优点而获得了广泛的应用。 本文介绍了等离子喷涂工艺制备的氧化钇部分稳定氧化锆热障涂层的组织结构以及其韧性和热冲击性能等内容,以便于了解掌握该涂层的相关知识。 1 氧化锆涂层的组织结构[3] 河南工程学院的李福群、郑州铁路职业技术学院的杨树森和北京理工大学的王富耻等人,研究了等离子喷涂纳米氧化锆功能梯度热障涂层组织结构。他们选用 LYl2 硬铝合金作为基材,以氧化钇部分氧化锆(简称 YSZ) 纳米粉末为原料,经团聚后采用美国 Praxair 公司的 5500 型大气等离子喷涂系统(SGl00 型喷枪)制备氧化锆纳米涂层。 将制备好的涂层进行研究,发现氧化锆粉末为四方相和立方相的混合体,没有单斜相存在,离子喷涂前后,粉末并未发生明显的相变。同时,从表层形貌可以看出,涂层中颗粒熔化比较完全,熔化的粉末颗粒在沉积时产生形变,平铺性好,涂层表面较为平坦。但是由于 YSZ 粉末熔点较高,有些颗粒在喷涂过程中(如在锥形火焰边沿)尚未完全熔化即被喷出,同时,由于粉末颗粒的热导率低,热传导速率慢,在喷涂过程中导致大颗粒内部的部分小颗粒来不及熔化,因此涂层表面会存在一些未熔颗粒。这就是涂层表面仍然存在一些生粉组织的原因。另外等离子涂层是由一层层的熔融颗粒相互叠加沉积而成,在喷涂过程中熔融颗粒内部会不可避免地溶解一部分空气,熔融颗粒快速凝固的过程中,一部分气体会溢出涂层表面,因此在涂层表面还可观察到一些小孔隙。涂层表面还存在一些细小的微裂纹,这是因为在喷涂过程中,熔融颗粒撞击基体以后,从碰撞到展开、平铺、到最终凝固成准圆状薄片的时间很短,致使熔融凝固过程中形成残余热应力来不及释放而在涂层中形成的。 从热障涂层的横截面来看,整个涂层结构比较致密,而且表面陶瓷层与次表层、次表层与粘结层机械咬合,如图 1 所示。在表面陶瓷层中存在较多的孔隙,且表面陶瓷层的层状显微结构不明显。相比之下,次表层中孔隙相对较少,这是因为次表层中的 Ni/Al 金属颗粒熔点较低,在等离子喷涂过程中熔化充分,其铺展流动性能好,能够填充沉积过程中由于熔融颗粒搭接不完全而形成的孔隙。涂层中的柱状晶组织以短轴晶为主,如图 2 所示。每个柱状晶层之间结合亦十分紧密,这有助于提高陶瓷层自身结合强度。 图 1 涂层截面组织形貌 图 2 涂层中柱状晶粒 2 氧化锆微米涂层和纳米涂层的韧性比较[2] 脆性过大,韧性不足,是热障涂层目前存在的主要问题。该问题的存在,使得其在很多方面的应用都收到了限制。因此,涂层的韧性的研究和改进是很重要的一个方向。 北京理工大学的王全胜、王富耻等人,研究了等离子喷涂的纳米氧化锆涂层和微米氧化锆涂层的差别。他们采用 45#钢为基体,用纳米级粉末和微米级粉末喷涂后,进行弯曲实验。结果表明,纳米氧化锆的韧性明显优于微米氧化锆涂层。在弯曲过程中,纳米氧化锆涂层不会发生分离与剥落现象,此外,纳米氧化锆涂层的表面断裂强度比微米涂层高出近 60%。 经过分析,其主要原因是:在弯曲试验中,涂层表面受到拉应力的作用,涂层中的某些长度较大的微裂纹会随着应力的不断增加而最终发生失稳扩展,形成一条主裂纹。在纳米涂层中,由于孔隙率较高,同时各个孔隙相对均匀,当受到外加载荷时,较大的孔隙或裂纹会首先发生扩展,扩展过程中不断的与周围的微小孔隙和裂纹连通,能使系统的弹性自由能降低,使裂纹在此种应力水平下能够保持稳定,只有加大载荷时才会继续扩展。而微米涂层与纳米涂层比较,孔隙率较低,且大型孔隙较多,这样一方面相当于增加了材料中初始裂纹的长度,使裂纹能够在比较低的应力水平下发生扩展;另一方面,由于微型孔隙较少,在主裂纹扩展时,与其它 孔隙连通的几率较小,无法及时吸收系统中的弹性应变能,引起裂纹迅速扩展,形成贯通裂纹,甚至材料断裂。 因此,在保证一定的热障涂层孔隙率的前提下,适当通过优化工艺参数,使涂层孔隙率更加均匀化,是提高热障涂层韧性的一个有效途径。 4 氧化锆涂层的热冲击性能[4] 由于陶瓷与金属之间热物理性能的差异,当涂层在急冷急热的工况下使用时,涂层内部会形成较大的热冲击应力而造成涂层的剥落失效。因此,研究氧化锆涂层的热冲击性能也具有十分重要的意义。 张红松,王富耻等采用圆柱形镍和 LY12 硬铝合金为基体,制作氧化锆微米涂层,通过水淬实验,对涂层在热冲击过程中的热应力及其对裂纹起源的影响进行了研究。实验结果表明,镍基体涂层在热冲击过程中产生的热应力低于铝基体涂层。 在涂层的热冲击过程中,涂层内产生的热冲击应力主要有两方面的原因:(1)陶瓷材料与金属基体热膨胀性能的差异;(2)热冲击时的温度差。其影响可以用下式予以解释: 式中:是应力;Ec 是涂层的杨氏模量;s、c 分别是基体和涂层的热膨胀系数;△T 是热冲击时的温度差;????是涂层的泊松比。由上式可知,在温度差相同的情况下,金属基体的热膨胀系数越大,对应涂层产生的热冲击应力越大,因此镍基体涂层的热冲击性能较好。涂层在表面径向热冲击应力的作用下,涂层表面易产生微观裂纹,微观裂纹在径向热应力的反复作用下将垂直向下扩展,最终在涂层中形成垂直的龟裂纹,龟裂纹的快速扩展容易形成贯穿整个涂层的裂纹。镍基体涂层中裂纹的长度和 宽度均比铝基体小,因此,从涂层中裂纹的扩展情况可知以镍作为金属基体比铝合适。 5 结论 在基体的耐高温性能不能达到使用要求的情况下,在其表面喷涂涂层加以保护是一种行之有效的方法。等离子喷涂工艺制备的氧化钇部分稳定氧化锆热障涂层具有很多优秀性能,但为了进一步提高,还可以从以下几方面入手: (1) 使用粒度为纳米级的粉末,有助于提高涂层的综合性能。 (2) 保障一定孔隙率的前提下,使得孔隙分布尽量均匀,可以提高涂层的韧性。 如果孔隙率和孔隙均匀性能够人为定量控制,将能定量控制涂层的韧性。 (3) 在保证基体应达到的使用要求的前提下,选择合适的基体,可以提高涂层 的抗热冲击性。 参考文献: [1] 陈煌,林新华,曾毅,丁传贤.热喷涂纳米陶瓷涂层研究进展.硅酸盐学报[J]2002(04) [2] 王全胜,王富耻,吴旭,柳彦博,马壮.等离子喷涂纳米氧化锆涂层韧性研究.有色金属[J]2006(增刊) [3] 李福群,杨树森,张红松,王富耻,王全胜,马状. 等离子喷涂纳米 ZrO2 功能梯度热障涂层组织结构. 河南工程学院学报[J] 2008(06) [4] 张红松,王富耻,马壮,王全胜,冼文锋,成志芳. 等离子喷涂ZrO2 热障涂层的热冲击性能.机械工程材料[J] 2007(01)

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