柱状晶对等离子 YSZ涂层性能的影响
赵晓东，高 峰，沈 婕
热 喷 涂 技 术2012年6月
摘 要：本文选用微米级YSZ 粉末和纳米级 YSZ 粉末喂料，采用等离子喷涂技术制备了两种 YSZ 涂层，并通过扫描电镜（SEM）对涂层的微观组织和结构进行了研究。结果表明：微米级 YSZ粉末制备涂层内部柱状晶的尺寸较短，长度在1～3μm 之间；纳米级 YSZ 粉末制备涂层内部柱状晶的尺寸较长，长度在 8～12μm 之间；这种组织结构特征的差异是导致YSZ 涂层结合强度和热震性能不同的主要原因。
关键词：等离子喷涂；
YSZ 涂层；柱状晶；热震性能随着科学技术的进步，航空、航天、船舶、燃气发电、化工、冶金等众多领域应用了热障涂层（Thermal Barrier Coatings , TBCs），它的主要作用是将高温部件与高温工作环境隔绝，降低热端部件的工作温度，防止基材部件发生高温腐蚀和高温氧化，延长其使用寿命。目前已经商业化的热障涂层面层材料为Y2O3部分稳定的 ZrO2（Yttria Partial Stability Zirconia,YSZ），因具有化学稳定性好、热传导系数小、硬度高和较佳的韧性等特点，得到广泛应用[1- 2]。
近十几年，纳米YSZ 涂层的制备引人关注，其附着力和隔热效果得到显著提高。然而多数情况下，采用纳米级YSZ粉末通过等离子喷涂（Plasma Spray, PS）所制备的并不是纳米结构，其组织仍是微米组织结构，但涂层的性能仍优于微米 YSZ 粉末制备涂层的性能，其原因成为YSZ涂层应用研究的热点之一[3]。
研究认为，涂层的孔隙率大可以为冷热循环过程中提供应力容量空间，但它也是裂纹形成、扩展的源头，成为涂层剥落和失效的主要原因。
换言之，涂层的孔隙率与热震性能有密切关系。然而，在相同孔隙率条件下研究微米级与纳米级YSZ 涂层性能的文章鲜有报道[4]。因此，在本文实验条件下，采用微米级 YSZ 粉末喂料和纳米级 YSZ 粉末喂料，制备了孔隙率约为12%的两种 YSZ 涂层，在此条件下，对比研究了它们在微观组织和结构特征上差异，及其对涂层结合强度及热震性能的影响，希望对促进YSZ 涂层的应用有借鉴作用。
1实验
1.1 实验材料
底层材料为北京矿冶研究总院生产的 NiCrAl粉末，牌号为 KF110。面层材料为分别为微米级氧化锆粉末和纳米氧化锆粉末，两种 YSZ 粉末的物理性能如下表。
图 1a 和图 1b 分别为微米 YSZ 和纳米 YSZ 团聚体粉末不同放大倍数的表面形貌。图 1c 和图 1d分别为单个微米 YSZ和纳米 YSZ团聚粉末内部颗粒形貌，从图中可以看出，微米级氧化锆颗粒平均粒径约为5～20μm，纳米粉末的颗粒尺寸更加细小，平均粒径约为0.2～2μm。
1.2 喷涂工艺
喷涂前对基体进行了除油、除锈和喷砂前处理。底层和面层的均采用大气等离子喷涂方 法 制 备 ， 设 备 为 德 国GTV喷 涂 系 统GTV- MF- P- HVOF- ARC- 200，喷枪型号为 F4。底层粉 采 用 GTV 固 化 工 艺 参 数 ， 涂 层 厚 度 约100μm。微米级 YSZ 粉末喷涂工艺参数为：主气压力38MPa，弧电流 550A，功率 48KW，喷枪距离110mm，涂层厚度约 300μm；纳米级 YSZ 粉末喷涂工艺参数为：主气压力 38MPa，弧电流 540A，功 率 48KW， 喷 枪 距 离 120mm， 涂 层 厚 度 约300μm。
1.3 检测方法
涂层微观组织和结构观察试样采用环氧树脂镶嵌方法制作，机械研磨并抛光后喷碳处理，采用日立公司生产的 HITACHI S- 3500 扫描电镜对涂层的微观组织和形貌进行测试。采用型号为WAW- 100A 的万能拉伸机测试了涂层的结合强度，依据的标准为 HB7751—2004。采用型号为KRZ- S05 的全自动热震试验机测试了涂层的热震性能，实验温度为 1150℃。试验过程中，先升温至1150℃，然后载样进炉，保温 10min，载样出炉入20℃的循环水 1min，取出空气中静置 1min，再进炉，称为一次循环，直至涂层裂纹或脱落占总面积的5%试验结束，依据的标准为 HB7269- 96。
2结果与讨论
2.1 涂层微观组织与结构
图 2a 和图 2b 为微米级 YSZ 粉末与纳米级YSZ 粉末制备涂层的低倍 SEM，图 2c 和图 2d 分别为对应两种涂层的高倍 SEM。从图 2a 和图 2b 可以看出，两种涂层中都存在层状区、未熔区，并且层状区均由柱状晶组成，亦可称为柱状晶区[5- 7]。但是，微米级氧化锆粉末制备涂层内部的层状区（柱状晶区）较少，涂层内部的未熔区较多；相同视场范围内，层状区（柱状晶区）较多，而且经金相分析，柱状晶的尺寸较短，约为 1～3μm，见图 1c；采用纳米级YSZ 粉末制备涂层内部的未熔区较少，柱状晶的尺寸较长，约为 8～12μm，见图 1d，相差约 5 倍。
等离子喷涂工艺过程是受热的粉末在基体上沉积再生长的一个过程，微米级氧化锆粉末和纳米级氧化锆粉末在 PS 过程中表现了不同的生长行为。纳米级氧化锆粉末的一次颗粒的粒径较小，受热均匀，其熔化状态较好，沿热流方向生长比较充分，表现为柱状晶尺寸较长。而微米级氧化锆涂层由于一次颗粒较大，在经历相同的PS 工艺过程时，其熔化状态较差，颗粒的再生长特性表现较弱，表现为柱状晶尺寸较短。
2.2 涂层的结合强度和热震性能
表 2 为分别为微米级 YSZ 粉末制备涂层（1#）和纳米级 YSZ 粉末制备涂层（2#）的结合强度数值。从表中看出，微米级 YSZ 粉末制备涂层的结合强度平均值为 38.50MPa，低于纳米级 YSZ粉 末 制 备 涂 层 的 结 合 强 度 ， 其 平 均 值 为45.61MPa。
表 3 为涂层的热震性能测试结果。由表 3 可以看出，微米氧化锆制备涂层（1#）的平均热震次数为24 次，低于纳米氧化锆制备涂层（2#）的热震次数，平均值为 58 次。纳米级 YSZ粉末制备涂层的平均热震次数约为微米级 YSZ 粉末制备涂层平均热震次数的 2.4 倍。
在本文实验条件下，YSZ涂层中的孔隙有细长条形孔隙和圆孔形孔隙形两类。细长条形孔隙主要存在于由柱状晶构成的层状结构之间，圆孔形孔隙主要存在与柱状晶内部，它们都可能会影响到涂层的结合强度和热震性能。
图 3a 和图 3b 分别为微米级 YSZ 粉末制备涂层和纳米级 YSZ 粉末制备涂层内部层状结构的微观组织与形貌。从图 3a 和图 3b 可以看出，采用微米级氧化锆粉末制备涂层的层状结构之间的长条形孔隙较多，层与层之间排列比较疏松；而纳米级氧化锆涂层的层与层之间的孔隙较少，层与层之间排列致密。其原因可能是：热喷涂属于快速加工工艺过程，且温度高，粉末飞行时间短，冷却速度极快，纳米级粉末的原始颗粒比较细小，粒子变形更加充分，粒子的铺展性好，变形粒子间接触面积较大，所以层与层之间留下的孔隙极小或者没有。柱状晶的这种组织和特征，对涂层的结合强度和热震性能影响较大，片层状结构内部的柱状晶为原子结合，不易断裂；片层之间的结合为简单的机械结合，较易断裂，其抗拉强度也较小，进而在冷热循环试验中，其热震次数也较少。而且，根据前文所述，微米级氧化锆粉末制备涂层内部的柱状晶尺寸较短，由柱状晶构成的层状区较薄，相对而言，在相同倍数视场范围内，片层的数目较多，即在涂层同等厚度的前提下，涂层中的断裂源较多，因此，根据断裂力学原理，微米级 YSZ 粉末制备涂层结合强度和热震次数的平均值均低于纳米级 YSZ 粉末制备涂层的数值。
图 3c 和图 3d 分别为微米级 YSZ 粉末和纳米级YSZ 粉末制备涂层内部柱状晶微观组织的高倍扫描电镜照片。
从图 3c 和图 3d 可以看出，微米级氧化锆粉末制备涂层柱状晶组织内部存在的孔隙较多，而纳米级氧化锆粉末制备涂层柱状晶组织内部存在的孔隙较少，且为闭合圆孔形，如图中箭头所示。这主要是因为在喷涂过程中，等离子气在涂层中的残留造成的。孔隙不仅是裂纹产生的源头，而且是裂纹连通或扩展的通道，裂纹形成与扩展实际上是能量释放的过程[8- 9]，同时较大的孔隙又是低能区，根据能量最低原理，裂纹从大孔隙扩展以降低能量比在材料的无缺陷区域扩展形成新表面来降低能量要容易得多，所以裂纹容易通过大孔隙的连通方式来扩展，微米YSZ粉末制备涂层内部孔隙较多，而且尺寸较大，因此，这可能是导致采用微米 YSZ粉末制备涂层热震次数较少的另外一个原因。
3 结论
在孔隙率相同条件下，采用微米级 YSZ 粉末和纳米级 YSZ粉末制备的两种 YSZ涂层的微观组织均由柱状晶组成的层状区和未熔区构成。微米级YSZ粉末制备涂层内部柱状晶的尺寸较短，长度在1～3μm 之间；纳米级 YSZ 粉末制备涂层内部柱状晶的尺寸较短，长度在 8～12μm 之间；这种组织结构特征的差异是降低 YSZ 涂层结合强度和热震性能的主要原因。
参考文献略
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