热障涂层表面粗糙度对涂层高温性能的影响
沈 君，詹 华，刘新基，汪瑞军
热 喷 涂 技 术2012年6月
摘 要：通过对热障涂层厚度与其表面粗糙度关系的研究，初步探讨了涂层表面粗糙度对其高温氧化性能、隔热性能和热循环性能的影响，研究表明涂层的表面粗糙度随着热障涂层厚度的增加而增大，并且随着涂层粗糙度的增加，涂层的热循环寿命先增加后减小，而其在高温氧化过程的初期，涂层重量增加迅速，氧化20h 后重量增加减缓。
关键词：热障涂层；表面粗糙度；涂层高温性能
由于热障涂层（Thermal barrier coatings，TBCs）能提高航空发动机工作温度和和热端部件使用寿命，因此，在航空发动机中得到广泛应用[1- 3]。热障涂层的高温性能与涂层的使用寿命直接相关，因而备受广大研究者的关注。影响热障涂层高温性能的因素很多，如涂层间的（陶瓷层与粘结层间）残余应力、微观结构（孔隙、微裂纹等）和涂层化学组分等[4- 5]。近年来的应用表明，热障涂层的表面粗糙度对涂层性能的影响越来越受到重视，它不仅影响着涡轮导向叶片喉径几何状态，更直接影响着热障涂层的隔热性能和高温性能。本文通过制备不同厚度的热障涂层，研究热障涂层厚度对涂层表面粗糙度的影响规律，探讨了热障涂层表面粗糙度对涂层高温抗氧化性能、隔热性能以及热循环性能影响规律。
1试验材料及方法
1.1 材料及涂层制备
以高温合金 K403 为基体材料。粘结层和陶瓷层材料分别为粒度范围为 - 45～+15μm 和 - 61～+37μm 的 NiCrAlY 和纳米 7YSZ。其中粘结层采用超音速火焰喷涂（HVOF）制备，其厚度为 100μm；陶瓷层采用大气等离子喷涂(APS)制备，陶瓷层的厚度分别为200μm、250μm 和 300μm。
1.2 测试方法
采用 TR200 手持式粗糙度仪测量热障涂层的粗糙度，每个样品测试 5 个点取其平均值作为样品粗糙度值。以单位时间内单位面积增重来评判涂层抗氧化性能，具体测试方法参照HB 5258测试涂层在 1100℃下抗高温氧化性能，采用精度为0.1mg 的分析天平测量试样在不同氧化时间的重量变化。涂层隔热性能的测试采用热障涂层热性能高温环境模拟试验平台，测试氧丙烷加热试样涂层表面温度至1100℃时，试样表面温度和基体背面温度差值。采用管式电阻炉评判热障涂层在1100℃下的热循环性能，测试条件为在 1100℃下保温55min 后风冷 5min。在热循环过程中，当涂层剥离面积超过 10%或严重开裂时可判定为涂层失效，试验终止。
2试验结果分析及讨论
2.1 涂层厚度与表面粗糙度的关系
表面粗糙度是指表面具有较小间距和微观峰谷不平度的微观几何特征，是评定涂层表面质量的重要指标。表面粗糙度的大小，不仅决定着产品表面的外观和产品精度，特别是在涂层的制备过程中，表面粗糙度是影响涂层结构和性能的重要因素。早期的研究表明，随着涂层表面粗糙度的增加，涂层的残余应力也在不断增大，从而导致涂层结合强度差和过早脱落，因此，合理控制涂层表面粗糙度是保证涂层的使用寿命的重要手段。表1 是制备的不同陶瓷层厚度与其涂层表面粗糙度的关系。
可见，在相同的制备工艺参数下，随着涂层陶瓷层厚度的增加，其表面粗糙度值增大。即当粘结层的表面粗糙度为 5.793μm 时，200μm厚度的陶瓷层表面粗糙度达到了 6.324μm，比粘结层粗糙度增大了 9.17％，300μm 厚度的陶瓷层表面粗糙度达到了 6.634μm，比 200μm 厚度陶瓷层又增加了4.67%。
2.2 表面粗糙度对涂层抗高温氧化性能的影响
对 1#、2＃、3＃ 和 4# 样品进行高温氧化实验，实验结果如图 1 所示，在氧化的前 20 个小时，四种样品的氧化增重均较快，且 1# 样品增重速率最快。这是由于实验中 1# 样品主要以界面反应机制形成氧化膜，而有陶瓷层的样品是氧穿过陶瓷层，通过扩散作用到达粘结层表面后发生反应形成氧化膜。20 小时之后，四种样品的氧化速率减慢，并且进入氧化平台期，200 小时的高温氧化实验后，1# 样品生成呈绿色的氧化膜，而 2＃、3# 和 4＃ 样品的涂层明显出现开裂，剥离现象，在脱落处也呈现出粘结层的绿色氧化膜。
通过对比分析可知，2＃、3＃、和 4# 样品的抗氧化性差异较小，本试验中涂层表面粗糙度对其抗氧化性的影响不大。
2.3 表面粗糙度对涂层隔热性能的影响
在涂层热性能高温环境模拟试验系统上采用红外测温仪和热电偶分别测量 1100℃下涂层的前后表面温度，结果如图 2 所示。随着热障涂层厚度的增加，隔热效果明显增强。涂层的隔热效果从1＃ 样品的 74℃逐渐增大；2＃ 样品的隔热效果约为 125℃，较 1＃ 样品提高了约 50℃；3＃ 样品的隔热效果为177℃，4＃ 样品的隔热效果最佳，为208℃，可见，本试验没能够分析出涂层表面的粗糙度对隔热性能的影响规律，影响涂层隔热性能的主要因素还是涂层的厚度。
2.4 表面粗糙度对涂层热循环性能的影响
热循环试验是实验室考核热障涂层性能的重要方法，实际上也是一种热冲击试验，它是评价TBC涂层在使用环境条件下抗氧化腐蚀性能和结合力的手段。将两种不同厚度的样品同时放入1100℃的高温炉中进行热循环实验，实验结果如表2 所示。随着涂层表面粗糙度的增加，涂层的热循环寿命先增加后减小。
分析认为，经过长时间高温热循环后，由于热应力的存在，在热生长氧化物（TGO）与金属底层和陶瓷层的界面处形成裂纹，随热循环次数的增加，裂纹不断扩展，最终导致涂层剥落。
涂层的表面粗糙度通过对残余应力的影响而对涂层的热循环寿命产生影响，因此要得到较好的热循环寿命应控制涂层的表面粗糙度。
3结论
（1） 热障涂层的厚度与涂层表面粗糙度有着必然的联系，随着涂层厚度的增加，其表面粗糙度增加。
（2）高温氧化实验表明，所有样品高温氧化初期涂层增重均很快，氧化 20 小时后的增重均变缓，陶瓷层表面粗糙度对其抗氧化性的影响没有明显差异。
（3）涂层表面的粗糙度对其隔热性能的影响规律不明显，本文将在以后的工作中制备出差异更大的样品开展研究。
（4）热循环寿命试验表明，涂层的表面粗糙度对其热循环寿命影响较大。在涂层表面粗糙度不断增加的条件下，涂层的热循环寿命具有先增加后减小的趋势。本文认为，表面粗糙度的合理控制是保障其涂层热循环寿命的重要因素。
参考文献略
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