热喷涂条件对热障涂层性能的影响.doc

热喷涂条件对热障涂层性能的影响 热喷涂条件对热障涂层性能的影响 M. Arai1 E. Wada2 K. Kishimoto2 N.Ohno3 （1、电子粉末工业研究所，日本东京；2、东京技术研究所，日本东京；3、等离子技研公司，日本崎玉） Effect of Thermal Spray Condition on Characterization of Thermal Barrier Coating M. Arai1 E. Wada2 K. Kishimoto2 N.Ohno3 （1、Central Research Institute of Electric Power Industry, Komae City, Tokyo, Japan；2、Tokyo Institute of Technology, Meguro-ku, Tokyo, Japan；3、Plasma Giken Co. LTD., Toda City, Saitama, Japan） 摘要 　　众所周知，热喷涂条件影响涂层的性能，如孔隙率、弹性模量、热膨胀系数（CTE）、涂层的断裂强度及涂层的结合强度。因此，热喷涂涂层中形成的残余应力及喷涂过程中产生的涂层应力随热喷涂条件而有明显不同。本文采用实验研究了几种热喷涂条件对涂层性能的影响。选用部分稳定的二氧化锆（化学组成为8wt%Y2O3-ZrO2）和CoNiCrAlY粘接层来构成典型的热障涂层体系。飞行粒子的速度和温度，以及基材的温度都随热喷涂工艺参数的改变而变化。对于陶瓷涂层，系统测量了涂层的孔隙率、维氏硬度、CTE、弹性模量、弯曲断裂强度、片层间的断裂韧性、涂层的残余应力等性能。 　　 1 前言 　　热喷涂工艺是一种沉积技术，如大气等离子喷涂（APS），电弧喷涂（TWA）以及超音速火焰喷涂（HVOF），是利用高能等离子或燃气流来加速微小粒子，使之不断撞击基体，沉积形成致密涂层。然而，热喷涂条件极大地影响涂层的力学性能。喷涂粒子的性能，如粉末粒度、飞行粒子温度和速率，以及基材温度等，直接影响涂层的性能。 　　Sampath等人研究了不同沉积工艺对Ni-5wt%Al金属粘结涂层性能的影响，结果表明HVOF与其它沉积技术相比，其制备的涂层在致密的微观结构、弹性模量、热导率、硬度及抗弯强度方面拥有更优的性能，因为HVOF能使飞行粒子获得更高的速度，从而达到粒子与基体之间更强的结合力。Matejicek等人研究了喷涂工艺技术如何影响光滑基体上单一急冷组织的形态及喷涂表面上形成的残余应力，结果表明残余应力主要受沉积过程中基体温度的影响，而飞行粒子速度及温度对其影响甚微。从力学性能来看，绝大多数研究者致力于涂层的弹性模量、热导率等性能与微观结构测量获得的涂层孔隙率之间的关系研究。且热衷于建立数值模拟和理论模型来分析确切的孔隙率参数。但是，由于工艺参数的变化这些模型仍需满足更复杂微观结构等模式。 　　目前，多层结构热障涂层（陶瓷涂层/金属粘结涂层）在燃气轮机工业方面起着越来越重要的作用，陶瓷涂层主要是保护高温环境下的热部件，金属粘结层用来保护镍基超合金基体避免氧化。目前有很多关于先进陶瓷涂层材料和金属材料方面的研究，如改变化学成分或利用电子束物理气相沉积（EB-PVD）等工艺方法。但是，如果将这些技术应用到燃气轮机的叶片或燃烧室表面，成本势必增加，这给涂层应用带来了显著的问题。因此，简便的解决办法是考虑选择优化热喷涂工艺参数来提高陶瓷涂层的性能。 　　本研究旨在阐明APS热喷涂工艺参数，如飞行粒子速度、粒子温度及基材温度对陶瓷热障涂层力学性能的影响。同时分析了陶瓷涂层的孔隙率、硬度、弹性模量、热膨胀系数（CTE）、抗弯强度和断裂韧性等力学性能，并讨论了工艺参数对残余应力的影响。 表1 8wt%Y2O3-ZrO2的热喷涂条件 粉末牌号 Metco 204NS 平均粒径/μm 49 喷枪 PRAXAIR SG100 40Kw SUBSONIC Ar气流量/ slpm 49.7 载气流/ slpm 6.2 送粉率/ g/min 38 喷涂距离/mm 100 喷枪移动速度/ mm/s 1000 间距/mm 4 空气冷却 是 2 试验 2.1 涂层制备 　　本研究采用8wt%Y2O3-ZrO2（SULZER METCO 204NS）作为陶瓷层，CoNiCrAlY（Praxair CO-210-1：Ni 32wt%, Cr 21wt%, Al 8wt%，Y 0.5wt%，Co余量，粒度为10～45μm）作为金属粘结层。首先在板型基材表面（304型不锈钢，尺寸：100mm×50mm×10mm）进行喷砂处理，后在基材表面依次喷涂金属粘结层（沉积厚度：0.1mm）和陶瓷层（沉积厚度：1.0mm）。其中，CoNiC