纳米ZrO2热障涂层热震性能研究吕艳红1,王全胜2,吴子健1(1.钢铁研究总院,北京100081;2.北京理工大学材料科学与工程学院,北京100081)[摘要]为了研究纳米热障涂层的热震性能,采用等离子喷涂工艺制备了纳米Y2O32ZrO2(YSZ)热障涂层,并测试了涂层的热震性能。借助扫描电镜和X射线衍射等手段分析了涂层的物相构成和组织结构。结果表明,涂层中保留未完全熔融的小尺寸颗粒,且存在大量的孔径<1μm的微孔,该结构对提高涂层的热震性能极为有利。纳米涂层抗热震性能显著优于常规热障涂层,从室温至1000℃,经800次热循环,涂层无明显的脱落现象。[关键词]Y2O32ZrO2纳米热障涂层;等离子喷涂;热震性能[中图分类号]TG174.442[文献标识码]A[文章编号]1001-1560(2006)07-0009-030前言制在0.30～0.35mm,基体材料选用尺寸为<65mm×5mm的高温合金(GH660)。热障涂层(TBCs)广泛应用于发动机热端部件(涡轮叶片、一级喷嘴、火焰筒、过渡段等)。目前应用的TBCs涂层均由MCrAlY结合底层和ZrO228%Y2O3热障层组成。TBCs的热震性能是衡量涂层性能的一个重要指标。常规TBCs在高温下长期服役,高温燃气通过涂层中的孔隙和裂纹侵入结合底层,在结合底层生成脆性氧化物,使涂层热震图纳米氧化锆团聚体形貌性能降低,影响了涂层的使用寿命。针对这一问1SEM题,研究中应用纳米粉末材料制备热障涂层,增加1.2试验方法涂层韧性、抑制热裂纹的产生、合理分布孔隙率、阻采用PS250KW等离子喷涂设备制备ZrO2纳隔高温燃气对结合底层和基体材料的直接侵入,以米涂层,涂层制备工艺参数见表1。试样由RJX242提高热障涂层的抗热震性能,延长涂层的使用寿13箱式高温电炉加热,用DWK2702精密高温测温命。本工作重点研究了纳米氧化锆热障涂层的抗仪测量试样温度。热震性能以及涂层的组织结构和相结构对热震性表1等离子喷涂ZrO纳米涂层的工艺参数能的影响。2送粉气送粉喷涂喷涂等离子电流/电压/H2流量/速度/速度/距离/气流量/AV1试验(m3·h-1)(g·min-1)(mm·s-1)mm(m3·h-1)N21.5400750.8152601201.1试验材料H20.6面层材料选用湖北地大纳米材料有限公司生以涂层表面出现宏观裂纹或剥落作为热震破坏判断依据,如无破坏,则重复试验,热震试验超产的氧化钇稳定氧化锆[质量分数6%的Y2O32过800次,无论破坏与否,试验不再循环。选取4ZrO2(YSZ)]纳米团聚粉末,尺寸在45～90μm,颗粒流动性为55s;颗粒形貌见图1。以NiCoCrAlY个TBCs试样,编号分别为1号、2号、3号、4号,将作为结合底层,涂层厚度<0.1mm,涂层总厚度控试样随炉加热至1000℃,保温10min,空冷5min,记录试样表面及横截面上出现裂纹的循环次[收稿日期]20060206数和涂层中裂纹扩展及剥落的循环次数,以此作为y9纳米ZrO2热障涂层热震性能研究涂层抗热震性能的评价依据。表2YSZ纳米TBCs不同晶面法借助X射线衍射(XRD)分析原始颗粒和喷涂线方向的晶粒度nm涂层的物相构成,利用扫描电镜(SEM)分析涂层hk1111200220311222400331420422平均值的微观组织结构。晶粒度66.279.944.259.429.9110.041.547.645.451.8在高温条件下,高温燃气通过ZrO2YOTBCs2结果及分析223涂层的孔隙和裂纹渗透到结合底层,加速结合底层2.1纳米TBCs涂层的微观结构对热震性能的影响的氧化,产生Cr和Al的氧化物,使结合底层脆性不断增加使涂层早期剥落从而导致热障涂层失将1～4号试样经过800次热震试验,试验后,,效。热喷涂微米级颗粒时只有颗粒表面产生熔结果表明,涂层颜色由青白色变为淡黄色,所有试,融而纳米颗粒由于比表面积大活性高而极易被样均涂层完整,无明显的剥落现象。常规热障涂层,,加热熔融在热喷涂过程中由于熔融程度较好纳的热震次数为150次,梯度热障涂层的热震次数为,,[1]米颗粒撞击到基材后变形剧烈平铺性明显优于微400次。可见,纳米热障涂层抗热震性能明显优,[2]于常规热障涂层。米级颗粒。纳米结构涂层熔滴接触面增多,降低了涂层中的大孔径气孔使涂层中裂纹的长度有常规热障涂层结构为层片状结构,裂纹平行于,效缩短穿透性裂纹减少增加了涂层的韧性并阻涂层表面分布,且存在贯穿性裂纹,此类结构对抗,,止了结合底层的过早氧化使纳米结构涂层的