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等离子喷涂纳米热障涂层的微观结构特性与性能

添加时间:2012/1/28 21:12:22  浏览次数:2518 次

    热障涂层(tbcs) 是由抗高温氧化腐蚀的金属粘结底层和隔热的陶瓷面层构成的复合功能涂层,主要用来为在高温热气流条件下工作的涡轮发动机叶片、燃烧室等热端部件提供高温隔热保护,从而明显降低热端部件的基体温度。采用tbcs不仅能使高温部件材料承受更高的使用温度,进一步进步发动机的工作温度和性能,同时可使发动机寿命和可靠性明显进步,具有极其重大的军事和经济价值。氧化钇稳定的氧化锆( zr o2) 具有化学稳定性好、热传导系数小、硬度高、较佳的韧性等特点,是目前为止发现的综合性能最佳的热障涂层材料。制备热障涂层的常用工艺有等离子喷涂、电子束物理气相沉积。纳米结构氧化锆tbcs 与普通氧化锆tbcs 相比,具有更均匀的组织结构,更好的应变容限能力,更高的断裂韧性,更高的热膨胀系数及元素扩散系数,更低的热导率。

    等离子喷涂工艺是制备纳米结构氧化锆tbcs最经济、最有效的工艺方法。采用该工艺涂层制备效率高、适用于大型零部件。采用纳米团圆粉末作为喷涂喂料,通过工艺参数的严格控制,缩短纳米材料在等离子焰流中的停留时间,限制原子的扩散和晶粒长大,可以制备纳米结构tbcs。

1. 试验方法及设备

试验采用透射电镜(tem) 、扫描电镜(sem) 、场发射扫描电子显微镜(fese m) 及x射线衍射研究等离子喷涂纳米结构氧化锆涂层体系的微观组织结构。热障涂层体系由ni23co20cr8al 4ta0.5 y金属粘结底层和6%~8%y2o3 - zro2 陶瓷面层构成,粘结底层厚度0.09 ~0.11mm,陶瓷面层厚度0.25 ~0.26 mm。对纳米结构tbcs与普通微米结构的tbcs 各三组试样进行了热冲击试验比较,试验条件分别为1000℃、1100 ℃和1200℃保温5min后水淬,水温20℃左右,以涂层出现累计2% 涂层面积掉块视为失效,并按有关标准测定涂层的热导率。对喷涂tbcs 的试片与无涂层试片进行隔热效果对比试验,试验条件为热源1200℃,涂层面朝热源,分别丈量有涂层与无涂层试样背面温度,两者差值即为隔热温度值。

2. 热喷涂纳米氧化锆团圆粉末组织结构特性

图1为试验用6%~8%y2o3部分稳定的zro2原始纳米粉末tem照片,采用液相化学共沉淀法制备合成。图2为采用等离子球化造粒的纳米团圆粉末形貌,图3为纳米团圆粉末表面sem放大形貌,由图3可以看出团圆粉末为纳米结构、表面存在微孔。图4为6% ~8%y2o3部分稳定的zro2普通喷涂粉末sem形貌。


3. 纳米结构氧化锆tbcs组织结构

在适当优化的等离子喷涂工艺参数下,采用纳米氧化锆团圆粉末喂料获得tbcs,x射线衍射分析表明,tbcs 的相组成主要为t- zro2(四方相) ,m- zro2(单斜相)的缺乏主要回因于y2o3 的四方相稳定作用和涂层的快速冷却。图5、图6分别为该纳米结构tbcs 的x射线衍射图和场发射电子显微镜照片,从图6中可清楚看到颗粒尺寸< 100nm,可以看出适当的等离子喷涂工艺可以在涂层中保持纳米晶,制备出纳米结构tbcs 。


4. tbcs 的热冲击及热传导性能试验

( 1) 纳米结构氧化锆tbcs的热冲击性能 试样基体材料为金属间化合物ni3al为基的ic10合金。热冲击试验结果表明,纳米结构tbcs的热冲击寿命明显高于普通tbcs。表3为纳米结构tbcs与普通tbcs热冲击寿命比较表。图7为tbcs 热冲击失效后未剥落的涂层表面典型形貌,可以看出,纳米结构tbcs热冲击过程中产生更多的网状裂纹、分布较均匀,这有利于分散热冲击过程中产生的热应力,进步热冲击抗力。不同工艺参数的等离子喷涂工艺系列试验表明,纳米结构tbcs的孔隙度与等离子电弧功率及等离子气体流量关系密切,比普通热障涂层的孔隙度更轻易控制,且孔隙细小、分布均匀,这种纳米与微米尺寸孔隙加上纳米结构的晶粒组织使涂层在高温下具有很好的韧性及很高的应变容限,有利于tbcs热冲击寿命的大幅进步。图8为等离子喷涂tbcs 热冲击失效后的断面形貌,可以看出普通氧化锆tbcs热冲击失效具有明显为脆性开裂特征。


( 2) 纳米结构氧化锆tbcs的热导率 热导率是单

位时间内,当沿着热流方向的单位厚度上温度降低1k时,单位面积容许导过的热量,热导率标志着物质传导热的能力,是热障涂层的重要技术参数。表4是采用激光脉冲法测试的等离子喷涂纳米结构氧化锆涂层及普通氧化锆涂层试样的热扩散率,表5是根据测试的涂层密度、比热容、热扩散率计算的热导率。


由表5可知,从800~1000℃,热喷涂氧化锆涂层的热导率随着温度上升逐渐下降,纳米结构氧化锆涂层的热导率比普通氧化锆涂层热导率低30%以上。

( 3) 纳米氧化锆tbcs的隔热效果 隔热效果是tbcs的重要技术指标。在ic10合金基体上等离子喷涂氧化锆热障涂层,陶瓷面层厚度0.25 ~0.26mm,对喷涂热障涂层的试片与无涂层试片进行隔热效果对比试验,试验条件为热源1200℃,涂层面朝热源,丈量有涂层与无涂层试样背面温度,两者差值即为隔热温度值,丈量结果表明: 纳米结构tbcs均匀隔热温度为160℃,而普通tbcs均匀隔热温度为30℃,纳米结构tbcs隔热效果明显好于普通tbcs,与热导率测试结果完全一致。

图9为纳米结构与普通结构tbcs隔热温度比较曲线。maxwell和klemens证实氧化钇稳定的氧化锆陶瓷的导热系数随孔隙、氧空位、溶质原子等点缺陷的体积分数增加而明显下降,并存在明确的关系。材料总的热传导由声子热传导和光子辐射组成,声子热传导起主要作用,纳米结构tbcs由于存在大量的晶界,声子散射明显增强,并且纳米结构tbcs存在的纳微米级孔隙、氧空位、溶质原子等点缺陷等都能增强声子散射,因而纳米结构tbcs能明显进步隔热效果。


5. 结语

( 1) 在1000 ~1200℃,与普通氧化锆tbcs相比,纳米结构氧化锆tbcs 热冲击寿命明显进步,进步幅度达40 % 以上。

( 2) 纳米结构氧化锆tbcs 隔热效果比普通氧化锆tbcs好得多,涂层表面1200℃ 时,厚度0.25 ~0.26mm 纳米结构tbcs 均匀隔热温度达160℃,而普通tbcs均匀隔热温度为130℃。

作者:李其连 教授 北京航空制造工程研究所

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