等离子喷涂纳米热障涂层热震性能
王东生，田宗军，杨斌
材料热处理技术
引言：等离子喷涂技术作为应用比较广泛的一种热喷涂技术，在喷涂热障涂层方面有很好的应用，那等离子喷涂的纳米热障涂层的性能如何呢？本文对其热震性能进行了检测。
摘要：采用等离子喷涂工艺制备常规和纳米结构Zr02-7％Y203热障涂层，比较两种涂层在850℃下的热震性能，并探讨其热震失效机理。结果表明，不管是首次出现宏观裂纹(局部剥落)还是达到热震失效，纳米结构热障涂层的热震次数都明显高于相应的常规涂层。相对于常规涂层，纳米结构涂层有较好的抗热震性能。等离子喷涂常规热障涂层的热震失效形式为大面积整体剥落，而纳米结构热障涂层热震失效形式为边角局部剥落。
关键词：等离子喷涂；热喷涂粉末；热障涂层；纳米结构；热震性能
现代航空发动机的工作温度越来越高。如F119、F135等采用的推重比10以上发动机涡轮进口温度最高已达1850℃．一方面，改善叶片冷却结构如同时具有对流、冲击及气膜冷却效果的双层壁高效冷却叶片提高冷却效率已成为国内外涡轮叶片设计与制造者所追求的目标；另一方面，在叶片表面制备各种形式的热障涂层是解决目前发动机高温部件工作温度必不可少的措施之一，因此，热障涂层制备成为现阶段研究的一个热点问题。
对于在高温热冲击环境中工作的热障涂层，热震性能是其主要技术指标之一。它反映了热障涂层在加热和冷却的循环过程中，抵抗温度突变并保持其结构完整性的能力，是对涂层物理性能、力学性能以及结构特性的综合评价。提高热障涂层热震性能的主要方法有制备梯度热障涂层，制备纳米结构热障涂层及对等离子喷涂热障涂层进行激光重熔处理等等。
文中采用等离子喷涂方法制备了常规和纳米结构Zr02-7％Y：0，(质量分数)热障涂层，通过对两种涂层热震性能的考察，讨论热障涂层热震失效机理．旨在探讨纳米材料在热障涂层制备方面的优越性。
1实验材料及方法
实验用基体材料为钢铁研究总院高温材料研究所熔炼的1一TiAI基合金(TAC-2)，尺寸为20mmx20mmx8ITllTl。以北京矿冶研究总院金属材料所生产KF-113A热喷涂热喷涂粉末作为过渡层材料。普通陶瓷材料为沈阳荣华生产的粒度为20～74µm的ZrO2-7％Y203陶瓷热喷涂热喷涂粉末(以下简称为YPSZ)；纳米团聚体热喷涂热喷涂粉末是采用喷雾干燥法制备的美国Inframat公司生产的牌号为Nanox4007热喷涂热喷涂粉末，其名义成分为Zr02-7％Y203(以下简称为纳米YPSZ)，相应的热喷涂热喷涂粉末形貌见图l。
采用美国普莱克斯公司生产的3710型等离子喷涂系统制备热障涂层。等离子喷涂的工艺参数及过程详见文献，关于所制备涂层的微观组织结构也已经作了详细讨论．本文不再展开。
热震试验参考航空工业标准HB7269．96进行。测试中采用Sx2．4．9箱式电阻炉加热．加热温度到850℃保温15min，然后迅速从炉中取出在室温自来水中水淬冷却，用干燥箱干燥后，对试样表面情况进行观察并拍照，重复这一过程直至试样失效(涂层表面lO％以上面积出现剥落)。利用JsM一7100F型(JEOL)场发射扫描电镜观察热震后试样的形貌。并讨论热障涂层热震失效机理。
2结果及分析
2．1热障涂层热震试验结果
两种不同的热障涂层850℃热震试验的结果见表1。可看出．不管是首次观察到宏观裂纹(局部剥落)还是涂层表面达到10％以上面积剥落，纳米结构涂层都要明显高于相应的常规热障涂层，表明纳米涂层具有较好的抗热震性能。
图2为等离子喷涂常规YPSZ涂层850℃热冲击过程中表面变化照片。在热震54次后涂层表面出现了如图2(b)所示的明显的宏观裂纹，随着热震次数的继续增加．裂纹在涂层表面迅速扩展。在热震73次后就导致涂层大面积整体剥落从而使涂层失效，见图2(c)，而且其剥离面比较平整，表明陶瓷表面层与结合底层为机械分离。
图3为等离子喷涂纳米YPSZ涂层850℃热冲击过程中表面变化照片。可看出其与图2的等离子喷涂常规热障涂层的热震破坏形式有明显不同。在热震过程中，等离子喷涂纳米YPSZ涂层并没有出现明显的宏观裂纹．而是在热震87次后在涂层边缘尖角处出现少量局部剥落，见图3(b)，随热震次数的继续增加，边界剥落区域变多变大，在热震146次后涂层失效，见图3(e)，失效的涂层没有出现图2(c)所示的整体大面积剥落。等离子喷涂纳米YPSZ涂层直至热震失效只有边角处的剥落．这和边缘尖角处于应力集中状态有关，也表明其有较好的抗热震性能。
2．2热震结果分析
图4为等离子喷涂常规YPSZ涂层850℃热震后表面未剥落区域的微观形貌。可看出其表面有明显的网状裂纹。涂层的抗热震性能取决于涂层在热冲击条件下承受热应力的能力及涂层的强度。对离子喷涂YPSZ热障涂层内部存在着孔隙和结合薄弱的层状结构，在热循环作用下．这些区域容易形成裂纹源．热应力反复作用下。界面水平裂纹会迅速扩展．导致涂层的剥落，表现为较差的热震性能。作者的前期研究表明目。等离子喷涂常规YPSZ涂层的抗高温氧化性能要差于纳米YPSZ涂层。在高温氧化过程中在陶瓷层和过渡层界面的热生长氧化物(TOO)生长也较快，相应的在热震过程中TGO生长速度也会较快，虽然TGO膜对于阻止过渡层的进一步氧化以及保护基体是很重要的．但过厚的TGO会降低过渡层的结合力，从而加速导致涂层的剥落。热震试验的结果也表明．等离子喷涂YPSZ涂层在经过相对较少数量(73次)的热震后就出现大面积的表面陶瓷涂层从结合层脱离而失效。
图5为等离子喷涂纳米YPSz涂层850℃热震后未剥落区域表面微观形貌。与常规YPSZ涂层相比，网状裂纹明显细小得多，这与纳米结构对涂层韧性的提高有很大关系。等离子喷涂纳米结构涂层保留了相当比例的微／纳米颗粒组织。对陶瓷涂层起到了颗粒增韧作用．这些组织可以在材料断裂时促使裂纹发生偏转和分叉，消耗断裂能．从而提高韧性。文献研究了涂层组织结构对涂层裂纹扩展方式和热震性能的影响．结果表明，常规涂层中裂纹扩展为沿晶断裂和穿晶断裂，穿晶断裂的发生导致热震性能降低；而纳米结构涂层中裂纹扩展是沿晶界进行，裂纹扩展路径较长，从而增加了其开裂阻力，这有利于纳米涂层的抗热震性能。热震试验结果表明纳米结构涂层有较好的抗剥落能力．这一方面与纳米组织对涂层的韧性提高有关。另外也与涂层的结合强度有关，结合情况越好，结合强度越高．涂层在界面处的开裂就越不容易形成．越有利于涂层的抗热震性能。等离子喷涂纳米团聚体热喷涂热喷涂粉末时。由于热喷涂热喷涂粉末比表面积大，活性高而使其表面较易被加热熔融，热喷涂热喷涂粉末表面熔化程度较好．因此纳米颗粒撞击到基体或已沉积表面后变形剧烈，平铺性明显要由于常规热喷涂热喷涂粉末。所以，纳米结构涂层基材或过渡层的结合要好于常规等离子喷涂层，表现为较高的结合强度。良好的结合提高了纳米结构涂层抗结合层界面处产生水平开裂的能力，从而也提高了纳米结构涂层的抗热震性能。
3结论
（1）等离子喷涂常规和纳米ZrO2-7%Y2O3热障涂层850℃热震实验表明：不管是首次出现宏观裂纹（局部剥落）还是达到热震失效，纳米结构热障涂层的热震次数都明显高于相应的常规涂层，相对于常规涂层，纳米结构涂层有较好的抗热震性能。
（2）等离子喷涂常规热障涂层的热震失效形式为大面积整体剥落，而纳米结构热障涂层热震失效形式为边角局部剥落。
图略
参考文献略
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