等离子喷涂纳米氧化锆涂层韧性研究.pdf

有色金属 冶炼部分2 0 0 6 年增刊 1 5 等离子喷涂纳米氧化锆涂层韧性研究 王全胜，王富耻，吴旭，柳彦博，马壮 北京理工大学材料科学与工程学院，北京1 0 0 0 x x 摘要通过三点弯曲法比较了纳米氧化锆涂层和微米氧化锆涂层的韧性，通过断口分析法比较了两种涂 层的断口组织特征，并对两种涂层弯曲前后的孔隙率及孔隙大小与分布进行了统计测量。结果表明，微 米氧化锆涂层在较小弯曲角时即与粘结底层发生较大面积分离，而纳米氧化锆涂层即使弯曲至1 8 0 。 也不会发生与粘结底层发生分离的现象；两种氧化锆涂层所具有的内部组织结构特征是导致其弯曲性 能存在差异的主要原因。 关键词纳米氧化锆；韧性；孔隙；弯曲性能 中图分类号T G l 7 4 ．2 文献标识码A 文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 0 6 S O 一0 0 0 1 5 0 4 S t u d yo nt h eD u c t i l i t yo fN a n o - s t r u c t u r e dZ r 0 2C o a t i n gb yA P S W A N GQ u a n s h e n g ，W A N GF u e h i ，W UX u ，L I UY a n b u o ，M AZ h u a n g S c h o o lo fM a t e r i a lS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g 。B e i j i n gI n s t i t u t eo fT e c h n o l o g y ，B e i j i n g1 0 0 0 x x ，C h i n a A b s t r a c t T h ed u c t i l i t yo fn a n o s t r u c t u r e da n dm i c r o nz i r c o n i ac o a t i n g sw e r em e a s u r e db yt h r e ep o i n t sb e n dt e s t m e t h o d ．T h o s em i c r o s t r u c t u r ew e r eo b s e r v e db yf r a c t u r e dm e t a l l o g r a p h ．T h ep o r o s i t ya n dp o r e ss i z eo fc o a t i n g s b e f o r ea n da f t e rb e n d i n gw e r ea n a l y z e d ．T h er e s u l t ss h o w nt h a tt h em i c r oz i r c o n i ac o a t i n gw e r es e p a r a t e df r o m b o n dc o a ta ts m a l lb e n d i n gd e g r e ea n g l e ，t h en a n o s t r u c t u r e dz i r c o n i ac o a t i n gs t i l lb o n dt o g e t h e rw i t hb o n dc o a t a t1 8 0 。 ，d i f f e r e n tm i c r o s t r u c t u r ei st h em a i nr e a s o ni n d u c e dd i f f e r e n tb e n d i n gp r o p e r t y ． K e y w o r d s N a n o s t r u c t u r e dz i r c o n i a ；D u c t i l i t y ；P o r o s i t y ；B e n d i n gp r o p e r t y 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T B C 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uJ ，近年来，随 着使用环境越来越苛刻，对其机械性能提出了更高 的要求，而采用常规微米氧化锆粉末制备的热障涂 层存在脆性较大、韧性严重不足的问题。U f u kS e n t u r k 等提出了一些可以提高T B C 机械性能的方 法旧J ，L i Y o n g l i 等探讨了改变微观结构对机械性能 的影响BJ ，而采用金属包覆氧化锆粉末喷涂的热障 涂层比用普通氧化锆粉末喷涂的涂层具有更高的断 裂韧性J ，此外，利用纳米效应来改善氧化锆涂层 的热学和力学性能也是其中的一个重要研究方 向[ 5 | 。 作者简介王全胜 1 9 6 8 一 ，男，山西晋城人，副教授 1试验方法 1 ．1 试样制备 试样基体选用4 5 钢，规格为1 0 0m m 1 0m m x1m m 。热障涂层粘结底层均采用N i C r C o A l Y 粉 末喷涂，氧化锆粉末分别采用湖北地大纳米材料制 造有限公司生产的纳米粉和另一种常用的微米粉 末，粉末粒径均控制在3 8 ～1 0 5 弘m 。 涂层制备采用P r a x a i r 公司生产的5 5 0 0 2 0 0 0 型 喷枪型号S G l o o 空气等离子喷涂设备，喷枪移 动由A B B 公司生产的机械手进行改革控制。纳米 和微米两组试样粘结底层厚度均为0 ．1n - l m ，氧化 锆涂层厚度均为0 ．1 5m m 。 1 ．2 试验方法 万方数据 1 6 有色金属 冶炼部分 2 0 0 6 年增刊 1 ．2 ．1 金相分析 将弯曲前后的热障涂层试样沿垂直裂纹方向切 割，经镶嵌、磨削、抛光处理，将其制成金相试样，在 O l y m p u sP M E 3 型金相显微镜下进行观察。氧化锆 涂层孔隙率采用I a 3 2 金相定量分析软件进行测量， 每个试样测定十个视场取平均值。氧化锆涂层中孔 隙的大小及其分布采用V I D E O T E S T 金相定量分 析软件进行测量。 1 ．2 ．2 断口组织分析 基体选用Q T 4 5 0 1 0 铸铁，其外形参照U 型 槽冲击韧性测试试样，尺寸为5 5m m 1 0m m 5 m m ，在涂层背面一侧开半径为R 2 的U 型槽，槽顶 距离顶面2m m 。试样喷涂后，在冲击试验机上将 涂层试样冲断，并采用J S M ～5 6 0 0 扫描电镜下进行 断口观察。 1 ．2 ．3 弯曲试验 弯曲试验在航天工业总公司检测中心进行，试 验方法遵照G B ／T3 3 5 6 1 9 9 9 相关程序操作，压头 加载速率均为5m m ／m i n ，试验共分8 组进行。 2 结果与分析 2 ．1 涂层原始显微结构分析 2 ．1 ．1 原始金相组织 弯曲前常规微米涂层和纳米涂层的金相显微结 构如图1 所示，由图1 可知，在常规微米涂层中存在 较大孔隙，且孔隙分布不均，在纳米涂层中，孔隙直 径较小，且孔隙分布较微米涂层更加均匀。 a 微米涂层 b 纳米涂层 图1 弯曲前Z r O 涂层金相结构 F i g ．1 T h em i e r o s t r u c t u r eo fZ r O zc o a t i n gb e f o r eb e n d i n g 两种涂层的孔隙率、孔隙大小及其统计分布的与微米涂层大致相当，而对孔隙面积的贡献仅为 测定结果如表1 所示，由表1 所列测试结果可知，纳6 9 ％。此外，纳米涂层中的孔隙较微米涂层中的孔 米涂层的孔隙率明显高于微米涂层，孔隙率几乎比隙分布更加平均，存在的大孔洞较少。而且在相同 微米涂层增加1 倍；在微米涂层中，等效直径D 1 0放大倍数下，一个视场内纳米涂层中存在的等效直 弘m 的孑L 隙，在数量上仅占孔隙总数的1 5 ．4 ％，而对径D 1 弘m 的孔达到4 3 0 个，而微米涂层只有2 3 4 孔隙面积的贡献却为8 4 ％；而在纳米涂层中，等效个，相差将近一倍；等效直径D 1 0 , u m 的孔隙数量占孔隙总数的1 4 ．9 ％， 层中有2 2 9 个，而微米涂层中只存在1 4 6 个。 表1 纳米和微米涂层中孔隙分布统计结果 T a b l e1T h es t a t i s t i cr e s u l t so fp o r e si nt h ec o a t i n g 2 ．1 ．2 涂层断口组织 通过扫描电镜观察两种涂层，得到的断口显微 组织如图2 所示。由图2 a 可知，常规微米涂层属 典型的层状结构，多数层片间存在孔隙，结合强度较 低；由图2 b 可知，纳米涂层属于混合结构，涂层内 部较致密，孑L 隙少，除层片结构外，还存在较多的等 轴结构。 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 6 年增刊 1 7 a 带规微米Z r O z 涂层 b 纳米Z r 0 2 涂层 图2 微米／g t 米Z r O ，涂层断口扫描照片 F i g ．2 T h eS E Mm i c r o g r a p ho fZ r 0 2c o a t i n gf r a c t u r e 2 ．2 弯曲试验结果与分析涂层试样约6 0 ％。d 值表示试样表面的抗拉强度， 弯曲试验相关数据如表2 所示，由表2 可知，在 该值的高低反应材料抵抗外加载荷以及抵抗断裂的 弯曲角度和其它条件相同的情况下，纳米涂层试样 能力，涂层试样表面抗拉强度d 值的提高意味着其 的表面抗拉强度仃值普遍高于微米涂层试样，当跨 可以抵抗更高的外加载荷，可以更有效的防止断裂 距均为7 0m m 时，纳米涂层试样的。值均高于微米现象发生。 表2 弯曲试验相关数据 T a b l e2T h et e s tr e s u l t so fb e n d i n g 对弯曲后的试样进行仔细观察，对微米涂层试 样，除了弯曲角度较小 约4 2 。 的6 号试样之外， 其它的试样表面均发生了涂层分离和涂层断裂现 象；而所有弯曲后的纳米涂层试样表面均未发生涂 层分离、剥落等现象，即使是弯曲角度最大的4 号试 样 接近1 8 0 。 也没有在表面和边缘出现涂层翘 起和剥落。 对于弯曲角度同为4 2 度的6 号和2 号试样，对 试样弯曲最大处进行宏观分析，其表面形貌如图3 所示。由图可知，两试样表面均出现平行于宽度方 向的裂纹，但其裂纹特征却存在明显差别。比较图 3 a 、图3 b 可知，微米涂层中，弯曲最大处出现的 裂纹大部分是贯穿裂纹，裂纹粗大，条数很少，而且 只集中在弯曲试样的顶点附近；而纳米涂层中，弯曲 最大处出现的的裂纹细小，条数较多，而且分布比较 均匀，几乎覆盖整个弯曲区域，表面极少有长度超过 试样宽度1 ／3 以上的裂纹，裂纹尖端大多出现明显 偏转，裂纹长长扩展至中途即发生转向，且较少与其 它裂纹连通，没有发现贯穿裂纹。 a 纳米涂层 b 微米涂层 图3微米／纳米涂层弯曲最大处表面形貌 F i g ．3 T h es u r f a c em a c r o g r a p ho ft h e c o a t i n gw i t ht h eb i g g e s tb e n d i n g 对于上述6 号样和2 号样，分别在试样弯曲最 大处截取试样，并对其截面进行金相分析，所得金相 照片如图4 所示。测量结果表明，微米涂层表面裂 纹间距平均在5 0 0 弘m 以上，裂纹密度约2 条／r a m ， 而纳米粉末涂层平均只有1 5 0 “ m ，裂纹密度约6 ．7 万方数据 1 8 有色金属 冶炼部分 2 0 0 6 年增刊 条／m m ，由表2 可知，涂层表面抗拉强度a 值分别为 3 4 2M P a 和5 1 7M P a ，纳米涂层比微米涂层高出约 6 0 ％，增韧效果明显。 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，由于孑L 隙率较高，但各个孑L 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 a 微米涂层 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。 b 纳米涂层 图4 微米／纳米涂层弯曲最大处金相照片 F i g ．4 T h em i c r o g r a p ho ft h ec o a t i n gw i t ht h eb i g g e s tb e n d i n g 3结论 1 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6 0 ％。 2 纳米氧化锆涂层韧性明显优于微米氧化锆 涂层的主要原因与纳米氧化锆涂层所具有的特殊显 微结构有关。这种结构有利于形成多条裂纹，裂纹 之间易于连通，从而抑制了主裂纹的扩展。 3 热障涂层中的孔隙大小与分布对涂层的弯 曲性能有较大影响，在制备热障涂层时，使涂层孔隙 细小均匀化，可以提高涂层的韧性指标。 参考文献 [ 1 ] M i l i e rRA ．C u r r e n ts t a t u so ft h e r m a lb a r r i e rc o a t i n ga n o v e r v i e w [ J ] ．S u r f a c ea n dC o a t i n g sT e c h n o l o g y ，1 9 8 7 3 0 1 1 1 ． [ 2 ] U f u kS e n t u r k ，R o g e r i oS ．L i m aD e f o r m a t i o no fP l a s m a S p r a y e dT h e r m a lB a r r i e rC o a t i n g s [ J ] ．J o u r n a lo fE n g i n e e r ． i n gf o rG a sT u r b i n e sa n dP o w e r ，2 0 0 0 ，1 2 2 3 8 7 3 9 2 ． [ 3 ] Y o n g l iL i ，G u a n j u nQ i a o ，Z h i h a oJ i n ．M a c h i n a b l eA 1 2 0 3 ／ B Nc o m p o s i t ec e r a m i c sw i t hs t r o n gm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s [ J ] ．M a t e r i a l sR e s e a r c hB u l l e t i n ，2 0 0 2 3 7 1 4 0 1 1 4 0 9 ． [ 4 ] 王全胜．等离子喷涂层的力学性能研究[ J ] ．宇航材料 工艺，1 9 9 9 6 4 9 5 0 ． [ 5 ] 欧忠文，刘维民，徐滨士，等．材料表面摩擦学设计新方 法纳米材料耐磨涂层的组装[ J ] ．功能材料，2 0 0 2 ， 3 3 1 1 9 2 1 ． [ 6 ] 龚江宏．陶瓷材料断裂力学[ M ] ．北京清华大学出版 社，2 0 0 1 ． 万方数据