等离子喷涂纳米 ZrO2热障涂层的耐盐雾腐蚀性能
彭 瑾
热 喷 涂 技 术2012 年 9 月
摘 要： 对大气等离子喷涂技术制备的纳米 ZrO2热障涂层进行盐雾试验，采用金相显微镜、X 射线衍射仪、拉伸试验机等对试验前后涂层组织及性能进行了研究。 结果表明，纳米 ZrO2热障涂层具有优异的耐盐雾腐蚀能力，盐雾腐蚀对涂层的显微组织、相结构、结合强度、剪切强度和耐湿热环境能力均无明显影响。盐雾腐蚀前后纳米 ZrO2陶瓷面层均由 t-ZrO2单相组成，其孔隙率分别为 13.1%和 12.6%，平均结合强度分别达到 47.9 MPa 和 48.7 MPa。 湿热试验后涂层完整、表面清洁，无新相生成。
关键词： 纳米 ZrO2；盐雾腐蚀；湿热性能；热障涂层；热喷涂
通常采用热导率低的陶瓷材料，如 ZrO2、Al2O3等通过合适的技术涂覆在高温工作的部件表面，从而避免高温工作介质直接作用于金属基体表面，对基体形成有效的保护[1-2]。 热障涂层结构通常为由MCrAlY （ M 为 Ni、Co 或 Ni+Co） 金属粘结底层和ZrO2陶瓷面层组成的双层结构[3-4]，粘结底层主要担负着过渡热不匹配、抗氧化、抗腐蚀的多重功效，而陶瓷面层主要起隔热作用。 双层结构工艺简单，应用广泛。
随着 20 世纪 80 年代末纳米科学技术的诞生与崛起，研究者的注意力从传统尺度上的物理现象及其规律的研究逐渐转向纳米尺度物质的特性、运动规律和实际应用的研究。由于纳米粒子具有大的比表面积、表面原子数和小的尺寸效应，在一定条件下会明显提高材料力学、电学和热学等性能[5]。 纳米 ZrO2热障涂层的制备工艺、力学性能、隔热性能等均得到大量研究，但该涂层的耐盐雾腐蚀性能及盐雾腐蚀对涂层的力学性能和耐湿热环境能力的影响方面报道较少。本文采用大气等离子喷涂技术制备了 CoNiCrAlY 粘结底层、 纳米 ZrO2陶瓷面层的纳米 ZrO2热障涂层， 对该涂层的耐盐雾腐蚀性能及盐雾腐蚀后涂层的结合强度、剪切强度和耐湿热环境能力进行了研究与评价，以期为该热障涂层的实际应用提供试验数据。
1 实验方法
1.1 喷涂材料及方法
热障涂层采用大气等离子喷涂技术制备，设备为 Sulzer Metco 公司的 Metco 9M。 热障涂层基材为GH4169 高温合金，粘结底层选用 CoNiCrAlY 合金粉末（ 超声气体雾化法制备），粒度为 30～74μm；陶瓷面层选用纳米 ZrO2，粒度为 30～64μm。
1.2 涂层组织观察及相组成测定
采用 GX-40DS 金相图像分析系统进行纳米ZrO2热障涂层组织形貌观察及涂层孔隙率分析，利用日本理学（ Rigaku）D/max 2500 PC 型 X 射线衍射仪（ XRD，CuKα）进行涂层相组成测定。
1.3 涂层性能测试
（ 1） 涂层耐盐雾腐蚀性能涂层盐雾试验在 JST-120 盐雾试验箱中进行，试验温度 35℃，介质为 NaCl·H2O，介质浓度为（ 1～2）ml/80cm2·h，盐雾沉降率为 5%，喷雾方式为连续喷雾，试验时间 48h。
（ 2） 涂层结合强度和剪切强度
按照 HB5476-91《 热喷涂涂层结合强度试验方法》、HB5474-91《 热喷涂涂层剪切强度试验方法》的有关规定制备结合强度试样和剪切试样，胶粘剂为 E-7 胶。 采用 TY8000 型万能材料试验机进行涂层结合强度和剪切强度测试，加载速率 2mm/min。
（ 3） 涂层耐湿热环境能力
涂层湿热老化试验在 GSL-10K 湿热试验箱中进行，试验升温阶段（ 30～140℃） 时间 2h，高温高湿阶段（ 140℃） 时间 6h，降温阶段（ 140～30℃） 时间 8h，低温高湿阶段（ 30℃）时间 8h，前三个阶段相对湿度为保持试验箱体底部有液态水存在，低温高湿阶段相对湿度为 95%。 试验中四个阶段循环进行， 每个循环构成一个周期， 试验共 3 个周期（ 72h） 。
2 实验结果与分析
2.1 涂层组织形貌及相组成分析
盐雾试验前后纳米 ZrO2热障涂层的显微组织如图 1 所示。 可以看出，盐雾试验对纳米 ZrO2热障涂 层 的 显 微 组 织无 明 显 影 响 。 GH4169 基 体 与CoNiCrAlY 粘结底层、CoNiCrAlY 粘结底层与纳米ZrO2陶瓷面层间结合良好，界面清晰无夹杂、无氧化。 CoNiCrAlY 粘结底层呈典型的层状组织，喷涂中粒子熔化充分，未见明显的未熔颗粒。 纳米 ZrO2陶瓷面层内均匀分布着较小的近圆形孔隙，这些孔隙的存在一方面可使涂层降低弹性模量、增大热膨胀系数，缓解陶瓷面层与 CoNiCrAlY 粘结底层间的热不匹配，提高涂层的抗热冲击性能；一方面可改变涂层内的热传递方式，降低涂层的热导率，增强涂层的隔热性能。 但是从断裂力学角度来看，根据
Griffith 定律，平面应力状态下扩展单位长度的微裂纹释放的应变能为 ， 其中 C 为裂纹半长度。 可见，孔隙的存在将增大裂纹的扩展动力，同时，裂纹从大孔隙扩展来降低能量比沿直线在材料的无缺陷区域扩展形成新表面来降低能量要更加容易，因此裂纹容易通过大孔隙的连通方式来扩展，因此要合理控制涂层内的孔隙率。经测定，盐雾试验前后纳米 ZrO2陶瓷面层的孔隙率分别为13.1%和 12.6%。 盐雾试验前后纳米 ZrO2热障涂层相组成分析结果如图 2 所示。 可以看出，盐雾试验对纳米 ZrO2热障涂层的相组成无影响， 试验前后涂层均由 t-ZrO2单相组成。
2.2 涂层结合强度与剪切强度
图 3、图 4 分别为盐雾试验前后纳米 ZrO2热障涂层的结合强度与剪切强度。盐雾试验前纳米 ZrO2热障涂层平均结合强度和剪切强度分别达到 47.9MPa 和 22.9 MPa， 盐雾试验后纳米 ZrO2热障涂层平均结合强度和剪切强度分别为 48.7 MPa 和 22.0MPa。 可见，盐雾试验对纳米 ZrO2热障涂层的结合强度和剪切强度无明显影响， 纳米 ZrO2热障涂层具有良好的耐盐雾腐蚀能力。
 
2.3 涂层耐湿热环境能力
为评价盐雾环境对纳米 ZrO2热障涂层耐湿热能力的影响， 纳米 ZrO2热障涂层经盐雾试验后又进行湿热加速老化试验。 试验后纳米 ZrO2热障涂层 XRD 图谱及实物照片如图 5 所示。 可见，72h 湿热加速老化试验后涂层完整、表面清洁，无剥落、起皮、 粉化等现象； 湿热加速老化试验过程中纳米ZrO2热障涂层无新相生成， 涂层由 t-ZrO2单相组成。 可见，盐雾试验后纳米 ZrO2热障涂层仍具有良好的耐湿热环境能力。
3 结论
（ 1） 纳米 ZrO2热障涂层具有良好的耐盐雾腐蚀能力， 盐雾试验对纳米 ZrO2热障涂层的显微组织无明显影响，试验前后陶瓷面层的孔隙率分别为13.1%和 12.6%，且均由 t-ZrO2单相组成。
（ 2） 盐雾试验对纳米 ZrO2 热障涂层的结合强度和剪切强度无明显影响，试验前后平均结合强度分别达到 47.9MPa 和 48.7MPa，平均剪切强度分别为 22.9MPa 和 22.0MPa。
（ 3） 盐雾试验后纳米 ZrO2热障涂层仍具有良好的耐湿热环境能力，湿热试验后涂层完整、表面清洁，无新相形成。
参考文献略
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