大气等离子喷涂氧化锆热障涂层研究进展
徐鹏，宋仁国，王超
材料热处理技术
摘要：简要概述了大气等离子喷涂技术、等离子喷涂热障涂层选用氧化锆材料的原因及其具有的优异性能，同时也介绍了等离子喷涂制备热障涂层的国内外研究现状并指出了未来的发展方向。
关键词：等离子喷涂；热障涂层；二氧化锆；氧化钇部分稳定氧化锆YSZ
随着航空航天等技术的发展，燃气涡轮机叶片对材料的高温性能的要求越来越高，原有的高温合金已不能满足其需要。美国NASA．Lewis研究中心首先提出了热障涂层概念．后来取得了重大突破并成功将热障涂层应用到航空发动机上，为热障涂层的发展奠定了基础。热障涂层(TBCS)通常是由低导热、高隔热的陶瓷涂层与抗高温氧化的金属缓冲层所组成的涂层体系．具有耐高温氧化、抗热疲劳、低的热导率等优异性能。陶瓷材料具有离子键或共价键结构，键能高，因此具有高熔点、高硬度、耐热、耐磨、耐腐蚀性能且化学性能稳定，因此陶瓷材料是热障涂层的理想材料。根据热障涂层的性能和应用要求，热障陶瓷涂层经过几代的发展，氧化锆成为热障涂层的首选材料。
1大气等离子喷涂技术
等离子喷涂(Plasmsp嘶ng，APS)是以电弧放电产生的等离子体为热源将粉末喷涂材料加热至熔融或半熔融状态，再通过高速气流使之雾化，并被高速地喷射和沉积到工件表面，形成具有各种优异性能覆盖层的一种表面工程技术，它具有喷涂效率高、涂层质量好、适用范围广等优点。
大气等离子喷涂(PSA)是以Ar、N2和H2等气体为产生等离子体的工作介质，并在大气环境下操作的等离子热喷涂技术。因其较早出现且应用较广泛．故又直接简称为等离子喷涂。等离子喷涂是目前制备氧化锆热障涂层的主要方法之一。其制备热障涂层的性能取决于涂层的组织结构．而其组织结构又主要依赖于喷涂的粉末特性及工艺参数。众多国内外学者已对等离子喷涂的工艺参数展开了广泛且深入的研究．并取得了大量的有益成果。
2 氧化锆热障陶瓷涂层的性能
氧化锆(Zr02)是一种白色、偏酸性的氧化物晶体粉末，硬度中等，熔点高；热导率低，膨胀系数较大(与目前普遍用作缓冲层的镍基耐热合金NiCrAlY相近)；还具有小的热辐射率和高反射率，以及高的导电率。ZrO2能抵抗酸性气氛、高温燃气及多种金属氧化物和盐类溶液的腐蚀。但在高温下Zr02同素异构转换伴随了体积的变化会导致涂层的脱落，所以不能采用纯Zr02粉末来制备热障涂层。为了提高Zr02陶瓷粉末在高温下的稳定性、高温韧性和强度，通常在Z她基体中加入第二相(MgO、Cao、Y203、Ce02等)进行稳定。Y203作为稳定剂掺入Zr02基体中，会在高温下形成稳定或部分稳定的结构。Y如，稳定的氧化锆陶瓷(YSZ)热障涂层致密性高、硬度高、耐高温j抗热冲击和抗燃气冲蚀性能十分优异。研究表明，当Y203加入量为6％～8％时。会形成部分稳定的氧化锆陶瓷。这是因为在高温下单斜结构。Zr02：向四方相t-Zr02转变伴随有体积收缩，而立方相c．盈o：随着温度的升高会发生体积膨胀，两种反应体积相会相互抵消，从而使部分稳定的Zr02(PSZ)平均热膨胀系数与常用的高温合金比较接近．故具有最好的抗热震性能．可在1650℃的高温下长期使用，耐高温、抗热冲击及抗燃气冲蚀磨损等性能十分优异。
3 YSZ热障涂层的性能
3．1 YSZ热障涂层的热震热循环性能
热障涂层工作环境冷热交替．涂层抵抗循环应力能力差，容易造成涂层开裂剥落。因此抗热震性能是涂层性能的一个重要指标。目前常采用的热震试验方法有水淬法和空淬法两种。刘亚男等采用等离子喷涂制备了ZrO2-8％Y203陶瓷层，在高温燃气风洞条件下测试热障涂层的热震性能。结果表明。等离子喷涂制备的热障涂层经过100次热震循环后，涂层与基体结合良好，涂层较为完整，未出现大面积的剥落情况，具有较好的抗热震性能。梁波等用等离子喷涂工艺在镍基高温合金上制备了ZrO2-3％Y203TBCs热障涂层(采用NiCrAlY作为粘结层)，并在1000、1100、1200和1300℃进行水淬热震实验，结果表明，纳米涂层和传统涂层热循环寿命分别是118、100、50、10和48、30、28、3次。李其连等旧采用等离子喷涂工艺在IC6高温合金上制备了ZrO2-8％Y20，TBCs热障涂层，然后分别进行1000、1100、1200℃至室温的热震试验。结果表明：传统涂层的平均热震寿命分别为39、26、21次。Wang等的研究表明：大气等离子喷涂制备的ZrO2-8％Y203涂层在1200℃热循环试验时，厚度分别为100、300和500µm的纳米结构涂层和传统涂层的耐热循环次数分别为52、1l、6次和25、2、1次。
3．2 YSZ热障涂层的高温氧化性能
热生长物容易导致涂层开裂和剥落，研究表明：热喷涂失效通常是高温氧化和热循环作用的综合结果。高温氧化性能通常采用将涂层暴露在高温空气环境中，测定样品暴露时间对涂层增重的影响规律，以单位时间内的增重来表示涂层的氧化动力学性能。车畅等采用大气等离子喷涂制备了ZrO2-7％Y203的双层结构热障涂层并研究其氧化性能。结果表明：热障涂层在不同温度下的恒温氧化动力学曲线近似成抛物线。随温度的升高。粘结层和陶瓷层界面的氧化物TGo由A120，转变成以Ni、Cr为主的尖晶石类氧化物，热障涂层氧化速率明显加快。抗氧化性能变差。陈和兴等在镍基高温合金上，用大气等离子喷涂制备了ZrO2-8％Y203的热障涂层，并进行高温氧化试验研究其失效机理，结果表明，热障涂层经1100℃加热。然后退火会在涂层界面生成氧化膜并且随保温时间延长而增厚，氧化膜增厚，应力也随之增大．从而导致氧化膜开裂。最终TBCS剥落失效。
3．3 YSZ热障涂层的隔热性能
热障涂层的另一个重要指标是涂层的隔热性能，通常用涂层的热导率或涂层前后表面的温度差来评定涂层的隔热效果。李其连等测试了纳米和普通YSZ热障涂层的隔热性能，结果表明，YSZ热障涂层的热导率随温度上升逐渐下降，纳米结构涂层的热导率比普通涂层热导率低30％以上。纳米结构热障涂层平均隔热温度为160℃．而普通涂层平均隔热温度为30℃，纳米结构热障涂层隔热效果明显好于普通涂层。Lee等闭用大气等离子喷涂工艺制备了不同厚度的ZrO2-Y203热障涂层，结果表明，随涂层厚度的增加，涂层的隔热性能略有增加，但并不明显．研究还发现涂层组成元素的相对原子质量及原子半径对涂层的隔热性能有影响。
略
5 结语
氧化钇部分稳定氧化锆(YSZ)热障涂层在涂层的设计、制备工艺以及评估方法上都取得了极大的进步，热障涂层的优良性能使它成功应用于航空航天等领域。随着社会的发展进步必定会对热障涂层提出更高的要求．亟须研究涂层的熔融形成机理及失效机理，优化涂层设计，提高涂层性能，开发出更高性能的新型涂层及涂层制备技术并降低成本。更加完善的热障涂层技术必定会被更广泛地应用到国民经济的各个方面，对世界经济的持续发展具有十分重要的意义。
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参考文献略
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