第35卷第2期稀有金属材料与工程Vol.35,No.22006年2月RAREMETALMATERIALSANDENGINEERINGFebruary2006EB-PVD热障涂层的表观压痕尺寸效应李美姮1,2，胡望宇1，孙晓峰2，管恒荣2，胡壮麒2(1.湖南大学，湖南长沙410082)(2.中国科学院金属研究所金属腐蚀与防护国家重点实验室，辽宁沈阳110016)摘要：采用Knoop压痕法评价沉积于镍基单晶高温合金基体上的EB-PVD热障涂层的显微硬度。测试结果表明，热障涂层系统的显微硬度存在压痕尺寸效应，即表观显微硬度随施压载荷的增加而显著降低。用弹／塑性模型Knoop压痕能量平衡对表观压痕尺寸效应进行分析，并从实验测试结果分析得出与载荷无关的显微硬度值。关键词：热障涂层；Knoop显微硬度；压痕尺寸效应中图法分类号：TG174.453文献标识码：A文章编号：1002-185X(2006)02-0186-03随着先进燃气涡轮机的发展，燃气进口温度愈来高温合金，粘结层为用磁控溅射方法沉积的NiCrAlY，愈高，涡轮发动机叶片材料常选用单晶高温合金，并陶瓷层是用电子束物理气相沉积（EB-PVD）方法制施加具有良好隔热效果和抗氧化腐蚀性能的热障涂备的Y2O3部分稳定的ZrO2（YSZ），其示意图见图1。层。近几十年来，热障涂层的应用急剧增加，其服役的条件也越来越苛刻。带热障涂层部件在高温燃气中Ceramictopcoat使用，必然遭遇氧化性、热腐蚀性很强的环境，而且Bondcoat必须承受比较大的离心载荷和高速外来物（如燃气中[1]常夹杂的颗粒）的碰撞，所以要求带热障涂层部件Substrate除具有良好的抗高温氧化、抗热腐蚀性能外，还必须具备足够的力学性能。压痕技术常用于评价材料在小尺度范围内的力图1热障涂层典型示意图学性能。近年来，已有许多研究学者利用显微硬度去Fig.1Aschematicillustrationofathermalbarriercoatingssystem评价热障涂层系统的力学性能[2,3]，然而，要准确利用压痕测试数据，还必须了解压痕压制过程，这对于显采用Knoop压头测量涂层的截面显微硬度，主要微硬度测试尤为重要。使解释和准确应用压痕测试数是由于Knoop压痕细长，基本上不存在弹性驰豫现象，[4]据变得更为复杂的一个现象就是压痕尺寸效应并且压痕导致开裂的倾向性也较小，况且只测量长（ISE），尤其是在低压制载荷下。压痕尺寸效应指的对角线长度，因而精确度较高。本试验中，所有Knoop是，在低载荷下表观硬度随施压载荷而变化，没有唯压痕的长对角线都平行于基体／涂层界面。陶瓷层及一确定值。在高载荷下，硬度值是一恒量，与施压载粘结层中的压痕位于各层中间；基体中压痕位置至少荷无关，从而得到唯一的与施压载荷无关的硬度值，离基体／粘结层界面20µm。为减少分散性的影响，涂层及基体每一载荷均测30个点，每个点测量3次，此硬度HLIH常被称作“真”硬度。不同几何形状的压头被用于研究纳米或显微硬度的压痕尺寸效应，本研取平均值。究采用Knoop压头研究热障涂层基体、粘结层及陶瓷2结果与讨论层的显微压痕尺寸效应，并根据能量平衡分析预测其热障涂层试样截面基体、粘结层及陶瓷层部分的与载荷无关的Knoop显微硬度HK-LIH。Knoop显微硬度测试结果如图2所示（加载4.9N时，1实验方法陶瓷层出现裂纹，其显微硬度值未标在图上）。基体、测试所用热障涂层试样的基体是一种镍基单晶粘结层及陶瓷层的Knoop显微硬度与测试载荷有很大收到初稿日期：2004-10-25；收到修改稿日期：2006-01-08作者简介：李美姮，女，1969年生，博士，副教授，湖南大学应用物理系，湖南长沙410082。电话：0731-8823116,Email:mhli2003@163.com第2期李美姮等：EB-PVD热障涂层的表观压痕尺寸效应·187·的关系，均表现出随压痕压制载荷（或压痕尺寸）增数，约0.3；∆S为压痕下的表面面积。大而降低的趋势，也即硬度的压痕尺寸效应（ISE）。P例如，对于陶瓷层，当测试载荷为0.098N时，其平均显微硬度约为13765.5MPa，比载荷为2.94N时的平均显微硬度7477.8MPa要高将近一倍。对于Ni基单晶合金基体和粘结层也观察到相似结果（图2）。ah1400dSubstratec10MPaρ1200Bondcoat×Ceramictopcoat1000图3弹／塑性Knoop压痕模型800Fig.3Elastic/plasticKnoopindentationmodel6