第40卷第4期材料保护Vol.40No.42007年4月MaterialsProtectionApr.2007等离子喷涂ZrO2热障涂层的抗热震性能冼文锋1,张红松1,2,王富耻1,李淑华3,马壮1(1.北京理工大学材料科学与工程学院,北京100081;2.河南纺织高等专科学校,河南郑州450007;3.军械工程学院机械制造研究室,河北石家庄050003)[摘要]为了进一步了解等离子喷涂ZrO2涂层的制备及失效控制措施,提高涂层的使用寿命,研究了涂层在水淬和火焰喷烧两种条件下的抗热震性能。结果表明:水淬条件下垂直裂纹主要分布在距涂层中心12mm范围内,随热震次数的增加,垂直裂纹最终进入次表层,靠近中心处裂纹扩展较快;火焰喷烧条件下垂直裂纹分布在距涂层中心10mm范围内,随热震次数的增加,裂纹在表面层和次表层界面处发生偏转,中心处裂纹扩展较快;火焰喷烧条件下涂层的抗热震性能优于水淬下,涂层中孔隙的存在加速了两种条件下裂纹的扩展。[关键词]等离子喷涂;热障涂层;ZrO2;抗热震性能[中图分类号]TG174.444[文献标识码]A[文章编号]1001-1560(2007)04-0004-030前言粒度45～100μm的Ni/Al(Ni质量分数80%±1.5%)粉末。采用超音速火焰喷涂法在基体表面先制备一层等离子喷涂制备的陶瓷2金属热障涂层已在航空、NiCoCrAlY粘结层,主要工艺参数见表1。喷涂过程中航天发动机等领域得到了广泛应用,部分稳定的采用压缩空气冷却来控制基体温度,使其低于100℃。YO2ZrO(YSZ)由于具有较低的热导率及良好的抗热232涂层结构由基体至表面分别为0.1mm的NiCoCrAlY膨胀性能而成为热障涂层的理想材料[1]。等离子喷涂打底层,0.1mm的Ni/Al金属层(粘结层),0.3mm的制备的梯度热障涂层虽然实现材料组分、结构与性能质量分数80%YSZ过渡层(次表层),0.5mm的YSZ的连续变化,有效缓解了涂层制备后的残余应力以及表面层。涂层的几何模型见图1。由于涂层结构的对因热循环造成的热应力,改善了涂层的性能[2,3],但由称性,图1仅给出了涂层的一半,纵坐标Z表示从基体于涂层在高温环境下工作或受到温度剧烈变化的影底部至表面层的距离(0<Z<10.5mm),该轴即为涂响,仍会造成涂层结构的热震损伤而出现早期失效。层结构的中心线,横坐标r表示从涂层中心至其边沿的因此,研究热障涂层热震失效过程中裂纹的形成、分布距离(0<r<18.0mm)。和扩展,对涂层的制备和失效控制,提高涂层的使用寿命具有重要意义。对热障涂层的抗热震性能的研究多集中在其失效～位置,而对裂纹的起源和扩展过程报道较少[47]。为此,本工作对等离子喷涂ZrO22Ni/Al热障涂层在水淬和火焰喷烧两种热震条件下裂纹的形成、分布和扩展图1涂层几何模型进行了研究。涂层的水淬热震试验:在马弗炉中将涂层加热至℃保温后立即放入清水中冷却按照同样1试验材料和方法400,20min,的方法进行多次循环操作。试验采用基体为圆柱形LY12硬铝合金,尺寸为火焰喷烧热震试验:采用氧2乙炔火焰将涂层表面<36mm3×10mm3,陶瓷粉末采用颗粒度20～80μm至1000℃,保温5s,然后用压缩空气喷吹冷却至300Y2O32ZrO2的质量分数6%～8%(YSZ),金属粉末采用℃,如此反复,加热过程中始终用清水冷却基体。将不同次数热循环的涂层沿横截面切开,制备成金相试样[收稿日期]20061206在光学显微镜下观察分析裂纹的形成部位及其分布。4等离子喷涂ZrO2热障涂层的抗热震性能表1热喷涂工艺参数次后靠近涂层中心部位的裂纹进一步向次表层内部扩电流/主气/次气/送粉率/距离/成分展(见图4c)。从裂纹的形成、扩展和分布说明,在距离A(m2·h-1)(m2·h-1)(g·h-1)mm试样中心12mm的范围内,表面工作层中存在相当大Ni/Al80011.1509007520%Ni/Al的径向热震应力,而且越靠近试样中心,应力值越大。8509.2913.9412007580%YSEYSE90074.3212.871200752结果与讨论2.1涂层的水淬热震试验图2是等离子喷涂热障涂层的典型微观结构。图的最上面是纯陶瓷层,中间是80%YSZ和20%Ni/Al组成的梯度层,底部发亮的是纯金属构成的粘结层。从图2中可以看出,表面工作层含有较多的孔隙,次表层由于Ni/Al金属的加入孔隙相对较少,两层之间的界面比较明显。图4水淬热震后涂层中的垂直裂纹2.2涂层的喷烧热震试验对涂层进行10次喷烧试验后