等离子喷涂热障涂层组织结构与抗热震性能关系研究.pdf

有色金属 冶炼部分 2 0 0 7 年增刊6 3 等离子喷涂热障涂层组织结构与抗热震性能关系研究 姚娟娟，王全胜，柳彦博，李东荣 北京理工大学材料科学与工程学院材料加工岙，北京1 0 0 0 8 1 摘要采用大气等离子喷涞工艺制备了N i C o C r A I Y 粘结底层，选用两种微米2 r 岛和一种纳米z h 粉 末，分别采用A P S l 和A P S 2 两种工艺制备面层。对三种涂层的金相组织、显徽力学性能及热震性能进 行了测试，对比性试验结果表明增加喷涂过程中变形粒子之问的结台强度，是提高热障涂层热震性能 的途径之一；采用A P S 2 方法制各的热障涂层结构致密、孔隙率低、棘层硬度和弹性模量较高．具有较长 的热震寿命，抚剥落性更好。 关键词热喷涂；热障涂层；热震性能；微观结构 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 7 S O 一0 0 6 3 0 4 S t u d yO i lR e l a t i o n s h i pb e t w e e nM i c r o s t r u c t u r ea n dT h e r m a l S h o c kR e s i s t a n c eo fT B C sP r e p a r e db yP l a s m aS p r a y Y A OJ u a n - j u a n ，W A N GQ u a n - s h e n g ，L I UY a n b o ，L ID o n g - r o n g B e i i 【l gI n s t i t u t eo f №h r 岫．I Ⅻi n 1 0 0 0 8 1 ，C h i n a A b s t r a c t N i C o C r A l Yb o n dc o a td e p o s i t e db ya ．rp l a s m as p r a y A P S l ．T w ok i n d so fm i c r o nz r qa n das o r to f n a n o - Z r 0 2a r ec h o S C na n dp r e p a r e db yA P S la n dA P S 2 ．M i c ∞s t n m _ L l r ％％v f i r aa n a l y z e da n dn a n o - i n d e n t e rt e s t - i n ga n dt h e r m a ls h o c kt e s t i n gw e r ec a r r i e dO u tf o rt h e s et h r e ec o a t i n g s ．T h ec o m p a r a t i v er e s u l t ss h o wt h a ti n ． c r e a s i n gt h ec o m b i n ei n t e n s i o no fp a r t i c l e sd u r i n gs p r a y i n gi st h eo n ew a yt oi m p r o v ep r o p e r t yo ft h e r m a ls h o c k ． T h e r m a lb a r r i e rc o a t i n g sp r e p a r e db yA P S 2p r e s e n tg o o dc o m b i n ei n t e n s i o n ，l o wp o r o s i t yr a t e ，h i g hh a r d n e s s a n de h s t i em o d d e ．I th a sl o n g e rt h e r m a ls h o c kI i f ea n db e t t e rp r o p e r t yo fa n t i s c a ho f f ． K e y w o r d s P l a s m as p r a y ；T h e r m a lb a r r i e rc o a t i n g s ；T h e r m a ls h o c kr e s i s t a n c e ；M i c r o s t r u c t u r e 双层结构热障涂层 T B C s 是由金属粘结底层 b o n d c o a t 和隔热的陶瓷面层 T B C 构成，它能有 效地降低基体的实际工作温度。显著提高热端部件 的使用性能和寿命【l _ 3J 。等离子喷涂是制备热障 涂层的常用方法之一，但是，采用常规等离子喷涂得 到的隔热陶瓷面层孔隙率较大，涂层结构较疏松使 得枯结底层易被氧化，影响热震寿命。为了克服上 述缺点，进一步延长热障涂层的使用寿命，近年来， 采用具有更高能量的等离子喷涂工艺制备热障涂层 成为发展方向之一。本实验采用大功率等离子喷涂 方法制各微米氧化锫涂层。并与常规等离子喷涂的 作者简介熊婿娟 1 9 8 2 一 ．立．天律人．硕士生 微米氧化锆及纳米氧化锆涂层进行比较，研究不同 工艺方法对热障涂层性能的影响。 i 试验方法 粘结底层粉末为N i C r C o M Y ，采用P r a x a i r T A F A 5 5 0 0 2 0 0 0 大气等离子喷涂设备制备，面层 粉末分别为A 1 1 0 7 5 微米氧化锆、D D N 一4 纳米氧化 错和国产微米氧化锆，分别采用A P S l 和A P S 2 两 种等离子喷涂工艺制备。各组热障涂层的制备工艺 如表1 所示。 万方数据 6 4 有色金属 冶炼部分 2 0 0 7 年增刊 表I 热障涂层制备工艺 T a b l e1 P r e p a r a t i o np r o c e d u r eo fT B C s 1 ．1 盒相试样制备 分别将喷涂后和经过热震试验的三组涂层试样 经切割、镶嵌、磨削、抛光处理后，在O l y m p u sP M E 3 显微镜下对涂层截面进行显微观察，采用美国 L E C O 公司I A 3 2 图像分析软件对涂层进行孔隙率 测量。 1 ．2 纳米压痕试验 采用N a n oI n d e n t e rD C M 纳米探针测量涂层硬 度和弹性模量。压入极限为5 0 0i T r o ，表面接触速率 1 0n m ／s ，每个试样选取5 个点进行测试，为了避免 界面和自由表面的影响。两个点之间的同距至少大 于最大压人直径的5 倍。 1 ．3 热震试验 热鹱试验采用型号为S R J X 一8 1 3 的箱式电 阻炉进行加热，功率为8k W ，冷却介质为室温自来 水。试验方法将试样置于11 0 0 ℃的箱式电阻炉中 保温1 0r a i n ，然后迅速取出．放入室温水中进行冷 却，如此反复，记录涂层开始出现剥落的次数，当涂 层剥落面积达2 0 ％时，停止试验并记录相应的热震 次数。 2 结果与分析 2 ．1 Z r 0 2 涂层金相组织 采用表l 所示工艺制备的三种热障涂层，三种 氧化锫面层的孔隙率测量结果分别是4 ．1 ％、 1 7 ．6 ％、2 2 ．5 ％。其金相组织如图1 所示。 图1 氧化锆涂层金相组织 F i g ．1M e t a l l o g r a p h l co fZ r 0 2c o a t i n g 由图l 可知，采用A P S 2 制备的微米氧化锆面子之间的结合较差，由于冷却速度快，凝固颗粒问存 层得到的1o 涂层．均匀致密，表面光滑平稳，涂层中在一些孔隙和空洞。 孔隙孔径很小，分布均匀．面层与粘结底层问无大的由三种热障涂层面层孔隙率测定结果可知，采 孔隙出现；采用A P S l 制备的纳米氧化锆面层所得用A P S 2 喷涂工艺制备的z r q 面层，其孔隙率比采 2 8 涂层的金相组织，涂层孔隙较多，但分布比较均用A P S l 喷涂工艺制备的纳米z r 0 2 和微米z r 晚面 匀。这与纳米氧化锫粉末经过二次造粒处理、粉末结层孔隙率分别降低了7 6 ．5 ％和8 1 ．6 ％。孔隙率在 合松散有关；采用A P S l 制备的微米氧化锗面层得 热障涂层中直接影响着热传导和涂层的变形等。通 到的3 0 涂层，其金相组织中分布着许多较大的孔常孔隙率稍太，可降低热应力，有利于延长热震寿 洞。且一些大孔相互连接．形成通孔。涂层结构疏松。命。 表面粗糙起伏不平，且面层与枯结底层之间存在一2 ．2 纳米压痕分析 些气孔和间隙。 三种涂层显微结构的差异与喷枪性能相关， A P S 2 的喷枪产生的功率达2 0 0k W ，粉束沉积率超 过1 2k g ／h [ 4 - 5 】．这使得粒子熔融程度较好、飞行速 度加快、变形更加充分，微粒间结台愈加紧密。而采 用A P S l 喷涂的面层．由大量变形粒子相互交错，呈 波浪式堆叠在一起，层状组织结构特征明显，变形粒 对应表1 的3 种涂层纳米压痕试验结果．压痕 硬度分别为 G P a 1 6 ．3 2 、1 5 ．9 6 和1 3 ．4 4 ；弹性模 量分别为 G P a 1 9 2 ．1 5 、1 7 4 ．4 2 和1 5 5 ．9 2 。硬度 计的穿透作用会使涂层的微孔遭到破坏。涂层越疏 松，硬度和弹性模量就越低．由结果可以看出。第一 种涂层具有较高的纳米硬度和弹性模量。这是因为 第一种涂层孔隙率低．结构致密，如果材料的弹性模 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 7 年增刊 6 5 量较大，则材料的原子问的结合强度会较大，反应到 宏观性能上则显示出材料的抗拉强度比较大。 图2 为各组涂层的载荷．位移曲线。由图2 可 知。A P S 2 喷涂微米Z r 0 2 面层的加载曲线斜率较 大．在压头压人的过程中基本上一直保持弹性特性， 当压头的压入深度达到3 1 0n m 左右时，达到最大 压人深度，此时对应的载荷是试验机器在此种试验 条件下能承受的最大载荷．约2 0m N 。而在相同载 荷下，A P S l 喷涂的纳米z r 0 2 面层的最大压人深度 为3 6 0m ，A P S I 喷涂的微米z r q 面层的最大压人 深度为3 8 5n m 。可见，H P P S 喷涂微米z r q 面层具 有较强的抵御外加载荷的能力。卸载时，H P P S 喷 涂的微米z r q 面层的卸载曲线斜率仍较大，说明该 涂层的弹性接触韧度较高，具有很好的韧性哺_ 7 』。 2 ．3 热震试验结果与分析 三种涂层的热震试验结果如表2 所示，热震后 三种涂层的金相组织如图3 所示。 图2 载荷与压头位移关系曲线 F i g ．2 C u r v eo fl o a d - d i s p l a c e m e n t 表2 热震试验结果 T a b l e2R e s u l t so ft h e r m a lc y c l i n g 圈3 热震后涂层金相组织 F i g ．3M e t a l l o g r a p h i co fZ r O zc o a t i n ga f t e rt h e r m a lc y c l i n g 由图3 可知，采用A P S 2 制备的微米氧化锆涂层的热震寿命【B 】。A P S 2 涂层结构致密，变形粒子 层 1 8 经过8 0 次热震后，其面层中裂纹短少，且为问结合紧密，孔隙率小，弹性模量高，在热应力作用 纵向裂纹，无横向裂纹；采用A P S l 制备的纳米氧化 下，面层具有较高的抗拉强度，可延缓裂纹的产生和 锆涂层 2 8 经6 0 次热震后。其面层中纵向裂纹较扩展，随着热震次数的增加，面层中首先萌生的是纵 长，有的甚至穿过牿结底层直通基体，并且存在短小 向裂纹，热震8 0 次后，陶瓷面层中存在少量细小纵 横向裂纹和较大孔河；采用A P S I 箭备的微米氧化向裂纹，有效的抑制了氧的扩散，粘结底层氧化物 锆涂层 3 4 经3 0 次热震后．面层中主要为横向裂 少，面层无剥落。而采用A P S l 喷涂的微米氧化锆 纹，分布在靠近粘结底层处，裂纹较长。涂层结构疏松，沉积粒子变形不充分，结合不紧密， 比较孔隙率测量结果和表2 可知，A P S 2 涂层孔隙率太，热震过程中，涂层易形成横向裂纹并沿着 的孔隙率最低，但热震寿命最长，这表明涂层孔隙率孔隙迅速扩展，有利于氧的透过，促进粘结底层热致 大小并不是决定涂层热震性能好坏的主要因素，而氧化物形成，提高涂层脆性．导致涂层发生早期开 涂层中裂纹的存在方式却对热障涂层的热震性能影 裂、剥落。可见，增加喷涂过程中变形粒子之间的结 响较大。研究表明，纵向裂纹的产生不仅可以缓解台强度，可抑制热震中横向裂纹的产生，是提高热障 热应力，还可抑制水平裂纹的产生和扩展，从而提高涂层热震性能的途径之一。 涂层的热震寿命；而当水平裂纹出现后，特别是当其 ．⋯。 出现在结合层界面上时，会在热震过程中沿着结合 ⋯～ 层界面迅速扩展，易导致涂层出现早期剥落，降低涂影响热障涂层热震性能的主要因素是喷涂时变 万方数据 6 6 有色金属 冶炼部分 2 0 0 7 年增刊 形粒子之间的结台程度 包括牯结底层和面层 ，而 不是涂层孔隙率大小；热障涂层在热震过程中产生 的裂纹分布对其寿命影响较大．其中纵向裂纹对热 震性能有利．横向裂纹则有害；采用A P S 2 喷涂工艺 制备的氧化锆涂层，具有涂层硬度大、弹性模量高的 特点，且结构致密、孔隙率低、与粘结底层结合紧密， 可显著提高涂层的热震性能。 参考文献 [ 1 ] C o w a r dGW ．P r o g r e s si no o a t i n g sf o rg a st u r b i n ea i r f o i l s [ J ] ．S u HC o a t T e c h 。1 9 9 8 ，1 0 8 1 0 9 1 3 7 3 7 9 ． [ 2 ] E v a n ．* AG ，H eMY ，H u t c l f i r t s o nJW ．M e c h a n i c sb a s e d s e a l i n gl a w sf o rt h ed u r a b i l i t yo fT B C s [ J ] ．P r o g r e s si nM a t e r i a l s S c i e n c e ，2 0 0 1 ，4 6 2 4 9 2 7 1 ． [ 3 】W a l s t o n wS ．C o a t i n ga n ds u r f a c et e c h n o l o g i e sf o rt u r b i n e a i r f o i l s [ A ] ／／．S u p e r a l l o y s2 0 0 4 [ C ] ，T M S2 0 0 4 5 7 9 5 8 8 ． [ 4 ] S a c r i s t eD ．A ne v a l u a t i o no ft h ee l e c t f i ems p r a ya n d H P P S p r o c e ∞e so ft h em a n u f a c t u r i n go fh i g hp o w e rp i s s r n as p r a y i n gN i C r A I Yc o a t i n g s [ J ] ．J o u r n a lo fT h e r m a l S p r a y T e c h n o l o g y ，2 0 0 1 ，1 0 2 3 5 2 3 5 8 ． [ 5 ] Q u I n tM ．H i g he n e r g yp l a s m ac e r a m i cc o a t i n go p t i m i z a t i o n [ J ] ．C e r a m i cE n g i n e e r i n ga n dS c i e n c eP r o c e e d i n g s ．1 9 9 9 。 2 0 4 3 3 5 3 4 5 ． [ 6 ] 霍穗鸿，粱迎春，程凯。等．基于原于力显微镜积分子动 力学的纳术压痕技术研究[ J ] ．机械工程学报，2 0 0 4 ，4 0 6 4 0 4 4 ． [ 7 ] 谢存毅．纳米压痕技术在材料科学中的应用[ J ] ．物理， 2 0 0 1 ，3 0 7 4 3 2 4 3 5 ． [ 8 ] R a n g a r a jS ，K o k l n iKJ ．M u t i p l es u r f a c ec r a c k i n ga n di t s e f f e c to ni n t e r f a c ec r a c k si nf t m e t i o n a l l yg r a d e dt h e r m a lb a r - r l e rc o a t i n g su n d e rt h e r m a l ．s h o e k [ J ] ．J o u r n a lo fA p p I i e d M e c h a n i ∞，2 0 0 3 ，7 0 2 2 3 4 2 4 5 ． 上接第6 2 页 [ 3 ] J i nHW ，K i n * MC ，P a r kCG ．F r i c t i o n - i n d u c e ds o l i ds t a t e s r n o r p h l z a t i o nf r o mn o n - e q u i l i b r i u ms o l i ds o l u t i o np h a s ei n F e _ c P B N i M os p r a yc o * t i n g s [ A ] ／／．E l e c t r o nM i c r o s c o p y I t sR o l ei nM a t e r i a l sS c i e n c e ．M i k eM e s h i iS y m p o s i u m ． P r o c e e d i n g so fS y m p o s i a [ C ] ．B e i j i n g ，C h i n a 。2 0 0 3 2 7 9 2 8 6 ． [ 4 ] J i aK ，F i s c h e rTE ．S Ⅱd i n gw e a ro fe o n v e n f i o n da n dl l a n o 日一 ”u c t u r ∞c e m e n t e dc a r b i d e s [ J ] ．W e a r ，1 9 9 7 2 0 3 2 0 4 3 1 0 3 1 8 ． 【5 ] S t e w a r tDA ，S h _ ；p w a yPH ，M c C a r t l m e yDG ．A b r a s i v e W e ．u l rb e h a v i o ro fc o n v e n t i o n a la a dn a n o e o m p o z i t eH V O F - s p r a y e d w o c oc o a f i n g s [ J ] ．W e a r ，1 9 9 9 2 2 5 2 2 9 7 8 9 7 9 8 ， [ 6 ] O t s u h oF 。E r sH ，K i s h i t e k eK ，e ta 1 ．H i g hc o r r o s i o nr e d s ． t ．m a t i r o n - b a s e da m o r p h o u sc o a t i n g so b t a i n e d b yt h e r m a l s p r a y i n g [ A ] ／I ．T h e r m a lS p r a y i n gM e e 血gt h eC h a l l e n g e s o ft h e2 1 s tC e n t u r y 。P r o c e e d i n g so ft h et 5 t hl m e m a t i o r t a l T h e r m a ls p r a yC o n f e r e n c e [ C 】．N i c e ，F r a n c e ，1 9 9 8 6 5 9 ． [ 7 ] K i s h i t a k eK ．T h e r m a ls p r a y e dF e _ 1 0 C 卜1 3 P - 7 Ca m o r p h o u s c o a t i n g sp o S s e 弱i 1 1 9e x c e l l e n tc o r r o s i o nr e z i s t a n e e [ J 】．J o u m a i 0 fT h e r m a lS p r a y i n gT e c h n o l o g y ，1 9 9 6 ，5 4 4 7 6 ． [ 8 ] 樊子拴，蒋风兵，孙冬柏，等．等离子喷涂制备铁基非晶 纳米晶复台涂层[ A ] ／／．2 0 0 3 第十六届全国热喷涂技术 经验交流会论文集[ A ] ．2 0 0 3 5 5 5 9 ． [ 9 ] 潘继岗，樊自拴，孙冬柏，等．等离子喷涂钼基非晶纳米 晶复合涂层的组织和电化学特性【J ] ．北京科技大学学 报，2 0 0 5 ，2 7 4 4 5 3 4 5 7 ． 【1 0 ] 潘继岗，樊自拴．孙冬柏，等．采用两种喷涂技术制各铁 基合金涂层的摩擦磨损特性研究[ J ] ．摩擦学学报， 2 0 0 5 ，2 5 5 4 1 2 4 1 5 ． [ 1 1 ] 杨熙珍，杨武．金属腐蚀电化学热力学一电位一p H 厨 及应用[ M ] ．北京化学工业出版社，1 9 9 1 ． 万方数据