等离子喷涂 AlCuCoSi 准晶热障涂层性能研究

　　等离子喷涂 AlCuCoSi 准晶热障涂层性能研究
　　王全胜，李和章，李佳彬，柳彦博
　　热 喷 涂 技 术2009 年 9 月
　　摘 要：应用 Al63Cu17.5Co17.5Si2准晶粉末，采用大气等离子喷涂工艺在 ZL109 基体上制备了涂层，并对涂层的热导率、抗热冲击性能及热稳定性进行了测量。结果表明：涂层具有十面体准晶结构；在 200℃、400℃、600℃下涂层热导率分别为 4.46W/（m·K）、5.2W/（m·K）和 5.67W/（m·K），与传统 ZrO2热障涂层接近；经过 100 次 400℃到室温水淬热冲击后，涂层无任何剥落现象，且涂层中没有裂纹存在；涂层在 350℃下经过 350 小时保温处理，其成分和相结构基本不发生变化，但涂层存在致密化倾向，孔隙率由喷涂态的 18.0%降低至 7.5%，此外，在基体与界面之间出现了轻微的扩散现象。因此，Al63Cu17.5Co17.5Si2准晶涂层具有良好的抗热冲击性能和热稳定性，可以作为热障涂层使用。关键词：准晶热障涂层；等离子喷涂；抗热冲击性能；热稳定性常规热障涂层（TBCs）由 MCrAlY（M 代表Fe、Ni、Co 等）金属粘结底层和具有隔热功能的YPSZ（6%～8%Y2O3部分稳定的 ZrO2）陶瓷面层组成，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，在飞机、燃汽轮机等发动机热端部件上得到了广泛应用[1-3]。但在地面车辆中，铝基发动机活塞工作时的温度只有 350℃左右，由于铝合金基体与 YPSZ 之间的热膨胀系数差异较大，严重影响使用寿命。自 1984 年以色列科学家Shechtman在研究急冷Al-Mn合金时发现了准晶材料以来[4]，研究结果表明，准晶材料具有低热导特性[5-8]，且热膨胀系数与金属接近（12×10-6≤α（K-1）≤17×10-6），在冷热循环工作环境中，可以减小界面应力，增加可靠性。本文针对铝基发动机活塞工作环境，主要研究等离子喷涂Al63Cu17.5Co17.5Si2涂层的热性能，包括热导率、抗热冲击性能及热稳定性能，前期研究结果表明，该粉末及涂层均具有十面体准晶相结构[9]。
　　1 试样及涂层性能测试方法
　　本文选用 Al63Cu17.5Co17.5Si2准晶粉末，采用Praxair TAFA 5500-2000 大气等离子喷涂设备制备涂层，所用等离子喷涂工艺参见相关文献[9]。
　　1.1 热导率测试
　　热导率λ的值不能直接测得，必须首先测得热扩散系数α、定压比热容 Cp 和密度ρ，按公式进行计算[10-11]。本文选用石墨基体，在石墨板上分别加工 出 尺 寸 为 Φ15mm×4.5mm 、 Φ12mm×3mm 、Φ10mm×2.5mm 的盲孔，将涂层喷涂在盲孔中，取出涂层后，再经过加工，制备成测试样品所要求的尺寸，然后采用 FLineTM5000 激光热导仪测试涂层的热扩散系数α，采用 DSC 差热分析法测量涂层的定压比热容Cp，采用阿基米德法测量涂层的密度ρ。
　　1.2 抗热冲击性能测试
　　涂层抗热冲击性能测试采用水淬法，具体为：将试样放入电阻炉中加热至 400℃，保温 10 分钟，然后，立即放入室温水中急冷，1 分钟后，再将试样放入电阻炉中进行加热，如此循环。本实验选用ZL109 合 金 作 基 体 材 料 ， 试 样 尺 寸 为Φ25mm×10mm，涂层厚度为 0.25mm。
　　1.3 热稳定性测试
　　涂层热稳定性测试方法为：将试样放入电阻炉中加热至 350℃，分别保温 100 小时、200 小时、270 小时、320 小时和 350 小时，分析涂层的孔隙率变化、相结构变化以及与基体之间的互扩散情况。试样尺寸、涂层厚度与抗热冲击试样相同。
　　2 测试结果与分析
　　2.1 涂层热导率
　　采用 1.1 所述试验方法，每点各取三个试样，测得的 Al63Cu17.5Co17.5Si2准晶涂层热扩散系数、定压比热容和密度，经过计算得到的涂层热导率，测试结果如表 1 所示。
　　在常温下，构成 Al63Cu17.5Co17.5Si2准晶涂层的每种纯金属组元块体材料的热导率分别为：Al 热导率为 273W/（m·K）[12]、Cu 热导率为 397 W/（m·K）[13]、Co 的热导率为 100 W/（m·K）[14]、Si的热导率为 149 W/（m·K）。与表 1 中测试结果相比可知，Al63Cu17.5Co17.5Si2准晶涂层的热导率与纯金属组元相比，几乎小了两个数量级。而常规 YSZ热障涂层的热导率为 1 W/（m·K）～2W/（m·K）[15]、纯氧化铝涂层的热导率为 28W/（m·K）[16]。相比较可知，Al63Cu17.5Co17.5Si2准晶涂层的热导率与常规热障涂层接近，可以作为热障涂层使用。
　　2.2 抗热冲击性能
　　采用 1.2 所述试验方法对 Al63Cu17.5Co17.5Si2准晶涂层进行了抗热冲击性能测试，结果表明，经过100 次热冲击后，涂层表面没有发生任何脱落现象，将热冲击后的试样制备成金相试样，采用 OlympusPME3 金相显微镜观察涂层截面，如图 1 所示。由图 1 可知，涂层内部也没有裂纹存在，说明采用等离子喷涂得到的 Al63Cu17.5Co17.5Si2涂层具有良好的抗热冲击性能。
　　2.3 涂层热稳定性分析
　　采用 1.3 所述试验方法，对涂层进行不同时间的保温处理，其中，喷涂态和经过 350℃、350h 处理后的涂层金相如图 2 所示。Al63Cu17.5Co17.5Si2准晶涂层经过 350℃、350h的保温处理后，涂层表面保持完好，没有发生局部剥落、开裂等现象，由图 2 可知，涂层与基体之间的界面没有发生分离，结合良好，涂层中也没有出现裂纹。但随着保温处理时间的延长，涂层有致密化倾向。采用 LECO-IA32 定量金相分析软件，测得涂层在喷涂态和保温 100 小时、200 小时、270小时、320 小时、350 小时后的平均孔隙率分别为18.0%、16.3%、15.4%、13.8%、10.7%、7.5%。这可能与涂层在保温过程中发生了烧结现象有关。
　　经过 350 小时处理后，涂层的 XRD 衍射谱与经过 100 小时处理后的基本相同，如图 3 所示。与喷涂态（大部分为准晶相，有少量的η相和 r 相）涂层相比，除含有少量 r 相外，大部分是准晶相，没有了η相的衍射峰，说明保温处理可以产生更多的准晶相。
　　经过 350 小时处理后，采用扫描电镜能谱仪对涂层与基体之间的界面进行了成分分析，如图 4 所示。结果表明，经过 100 小时处理后，在界面附近没有发现明显的扩散现象；而经过 200 小时处理后，界面附近存在明显扩散现象，在新相形成的初始阶段，其成分为 AlCuCo，随着保温时间的延长，其成分逐渐转变为 AlxCo，由于在 ZL109 合金中不含有 Co 元素，因此，可以推断，扩散区域中的 Co元素是由涂层中扩散来的；同时，由于涂层中的Al 元素含量明显低于界面处的 Al 元素含量，可以推测，扩散区域中的 Al 元素是由 ZL109 中扩散来的。
　　3 结论
　　（1）AlCuCoSi 准晶涂层在 200℃、400℃、600℃下的热导率分别为：4.46 W/（m·K）、5.2 W/（m·K）和 5.67W/（m·K），比传统的 ZrO2热障涂层的热导率高，但比 Al2O3涂层的热导率低，可以作为热障涂层使用。
　　（2）AlCuCoSi 准晶涂层经过 100 次 400℃到室温水淬热冲击后，无任何剥落失效现象，且涂层中没有裂纹出现，具有良好的抗热冲击性能。
　　（3）在 350℃下涂层经过 350 小时保温处理，其成分基本不会发生变化，但在涂层与基体之间的界面处发生了小范围扩散。
　　（4）涂层在350℃下经过100小时保温处理后，与喷涂态相比，生成了更多的准晶相，随着保温时间延长，涂层不再发生相变。
　　（5）涂层在保温处理过程中存在致密化倾向，350℃下经过 350 小时保温处理，涂层孔隙率由18.0%减小为 7.5%。
　　参考文献略
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