文档介绍：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“十五”期间材料领域重点研究方向之一[1]。采用等离子喷涂工艺制备的氧化钇部分稳定氧化锆热障涂层(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[2]。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