0 序 言
热障涂层(TBC)的作用是将基体金属和高温环境隔开,以便在不提高基体金属耐温能力的情况下提高整体结构的使用温度.基于这种使用条件的特点,热障涂层应具有耐高温、隔热、抗热震、高化学稳定性、低涂层密度、高结合强度和长使用寿命的特点[1].莫来石(Mullite)是一种很重要的陶瓷材料.它的密度小、热稳定性好、耐腐蚀、热导率低、有较高的强度和抗蠕变性[2].莫来石与金属复合涂层是TBC一种全新体系[3].将金属粉末和莫来石粉末混合后用等离子喷涂形成复合涂层,在一定的组成范围之内,涂层的线膨胀系数与金属基底相似而热导率却比金属低很多,涂层的结合强度和抗热震性能也会得到很大提高.运用微弧等离子喷涂制备莫来石/金属复合涂层(MMC),研究了涂层的微观结构、结合强度、隔热性能和抗热震性能,为这种涂层的应用提供试验依据.
1 试验方法
1.1 喷涂材料
喷涂用材料及物理参数如表1所示[4,5].将莫来石粉末与NiCrAlCoY按不同体积比1:30%, G2:40%,G3:50%, G4:60%, G5:70%)混合,用聚乙烯醇作为粘结剂,制成不同混合比例的100目团聚粉,G3粉末的微观组织形貌如图1所示,从图中可以看出细小的球形莫来石粉末被粘结在NiCrAlCoY大颗粒周围.采用1Cr18Ni9Ti作为基体材料.喷涂前,基体用粒径约为2 mm的刚玉砂喷砂处理.
1.2 喷涂设备及工艺参数
喷涂采用最新研制的多功能微弧等离子喷涂设备[6].喷涂工艺参数如表2所示,采用内送粉喷涂方法.
1.3 隔热温度测量
测量涂层的隔热温度在电阻炉炉口进行,结构如图2所示.将试样放置在炉口用耐火砖固定好.热电偶放置在固定位置,热电偶1测量试样表面温度,热电偶2测量试样背面温度,热电偶与温度记录仪相连,记录仪会同时记录两个热电偶的实时测量温度.炉口盖上约6 mm厚的耐火砖是为了减小环境温度和空气对流对测量精度的影响.
1.4 热震试验
电阻炉炉温设定为1 150e,温度稳定后,将热震试样放在炉膛内加热5 min后取出迅速放入约30e的自来水中激冷,1 min后取出试样,用压缩空气吹干表面水分,重新放入炉中加热.如此反复,当表面涂层有20%剥落即为涂层失效,激冷次数即为该涂层的抗热震次数.
2 结果与讨论
2.1 涂层的微观结构和结合强度
采用微弧等离子喷涂制备的莫来石/金属复合热障涂层为双层结构(图3).粘结层厚度约0.2mm,组织均匀致密,起到缓和应力、提高涂层结合强度的作用.粘结层粉末在等离子焰流作用下,沉积在基体表面形成以变形粒子相互交错、呈波浪堆叠的层状结构.复合涂层(MMC)厚度约0.6 mm,其中黑色部分是莫来石颗粒,灰白色部分为金属颗粒.复合粉末中的NiCrAlCoY熔点(1 473e)较低,在喷涂过程中熔化较充分,沉积过程中充分形成层片状结构;而莫来石的熔点(1 850e)较高,熔化的颗粒变形充分团聚在一起颗粒增大与金属颗粒结合紧密,部分没有熔化的颗粒会被/包裹0在金属层片状结构中(图3c);从图4中涂层的表面形貌也可以明显看出这种现象.通过对比可以看出,随着喷涂粉末中莫来石含量的增加,涂层中的莫来石含量随之增加,涂层的气孔也有所增加,组织变得疏松.测量出涂层的结合强度及断裂面位置如表3所示.从表3中的数据可以看出,涂层与基体的结合强度都在30 MPa以上,这说明沉积过程中金属颗粒熔化、变形充分,后沉积的粒子对先沉积的粒子的夯实作用明显;涂层中莫来石的含量增加没有大幅度降低涂层的结合强度.
2.2 涂层的隔温性能
图5为测量不锈钢板隔热的温度曲线.调整炉温使试样表面温度从700e阶梯上升至1 175e,每增加100e保温时间3~5 min(炉温的波动范围为?2e),当试样背面温度达到稳定时,根据温度记录值计算出试样表面与背温度之差即为该温度点的上升段隔热温度$Tu.为了减小热传导滞后性带来的测量误差,降温过程中,保持电阻炉工作状态,当试样表面温度降至测温点时,保温3~5 min,每降100e也计算一次下降段的隔热温度Td.用同样的方法测量、记录、计算出喷有涂层的试样在各温度点的隔热温度.两种试样的隔热温度之差就是涂层的隔热温度$Tc,计算结果如图6所示.从图6中曲线可以看出,虽然NiCrAlCoY和莫来石的热导率都随温度的升高而增大,但涂层的隔热温度随表面测量温度升高而提高,这可能是由于测量时基体背面辐射散热随温度升高而增大造成温差增大.随涂层中莫来石含量的增加,涂层的隔热温度也有所提高,G5涂层的最高隔热温度(涂层表面温度为1 175e)时约为125e.莫来石的热导率较小,并且随涂层中莫来石含量的增加,涂层的热导率随之下降,涂层中气孔含量增加也降低了涂层的热导率.
2.3 涂层的抗热震性能
涂层的抗热震次数及试样的变形量如表4所示.从表中数据可以看出,随着粉末中莫来石含量的增加,涂层的抗热震次数先增加后下降,粉末中莫来石含量为40%涂层的抗热震性能最好,抗热震次数最高为72次之后迅速下降.
热震前后试样变化如图7所示.未喷涂层的试样热震72次后变成/马鞍形0,这是因为加热过程中不锈钢基体的强度大幅度下降且体积膨胀;在水淬热震过程中,试样边沿迅速降温,强度增加,会把边沿膨胀部分/固定下来0,试样中心部分随后冷却,且冷却速度较小,会受到试样边沿的拉应力作用,产生塑性变形向外扩展;下一次加热过程中,试样并不能恢复原状而又会重新向外膨胀,冷却时又向外扩展.如此反复,试样尺寸变大、自由变形,最终形成/马鞍形0.喷有MMC涂层的试样热震过程中逐渐变为球冠形,随热震次数增加,球冠的高度增加,变形量也随之增加(表4).对于MMC涂层,试样加热到1 150e高温时,基体和涂层都会膨胀,基体的膨胀量较大,并且强度大幅度下降.在快速冷却时试样的外表面先接触到冷却水,冷却速度很大,无涂层基体侧面的冷却速度最大,试样会迅速收缩强度增大,就会把部分膨胀量/固定下来0,而试样中心部位冷却速度较小,来不及收缩,并且强度增大速度较慢,就会在试样边沿的拉应力作用下向外扩展,最终导致基体外径增大.由于MMC涂层的热导率比基体低,在冷却时靠近涂层面的基体降温慢,在另一面基体的收缩拉力作用下向外、向下扩张,最终形成球冠形(图7).失效过程中涂层边沿和基体之间先开裂,这是由于基体的大变形和基体边沿首先氧化造成的.之后G1,G2涂层边沿出现放射状裂纹,进而扩展导致涂层剥落失效. G3,G4和G5涂层边沿的裂纹方向不明显,但裂纹出现后涂层剥落速度要比前者快.只喷约0.15 mm厚粘结层试样的情况介于前两者之间,经历72次热震失效后,试样直径增加了约2mm,试样中心出现约2 mm和4 mm的椭圆形孔,形成/马鞍形0(图7),这是因为粘结层热导率和线膨胀系数比基体小,试样变形受到涂层一定的/约束0,涂层中心和边沿出现放射状裂纹,涂层剥落失效.由此可见,试样在热震过程中,基体变形会导致涂层界面,特别是试样边沿界面产生较大的拉应力,当拉应力超出涂层的结合强度,涂层就会产生裂纹进而剥落失效.随着涂层中莫来石含量的提高,涂层的弹性模量会下降,韧性降低,涂层在较小应力作用下就会剥落,导致涂层的抗热震性能下降.
3 结 论
(1)莫来石/金属复合热障涂层为双层结构.涂层中莫来石颗粒被/包裹0在金属粘结层的层片结构中.随着莫来石含量的增加,涂层的隔热性能有所提高.涂层与基体的结合强度都在30 MPa以上.
(2) 1 150e水淬热震试验中,粉末中莫来石含量为40%涂层的抗热震性能最好,抗热震次数为72次.基体变形是导致涂层剥落失效的重要原因之一.
参考文献略
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