等離子噴涂CeO2/ZrO2-Y2O3納米陶瓷涂層的熱震性能的研究

李任偉，宮文彪

(1.東北電力大學工程訓練教學中心，吉林 吉林 132012；2.長春工業(yè)大學先進材料重點實驗室，吉林 長春 130012)

等離子噴涂CeO2/ZrO2-Y2O3納米陶瓷涂層的熱震性能的研究

李任偉1，宮文彪2

(1.東北電力大學工程訓練教學中心，吉林 吉林 132012；2.長春工業(yè)大學先進材料重點實驗室，吉林 長春 130012)

采用大氣等離子噴涂技術，分別使用傳統(tǒng)的納米氧化釔部分穩(wěn)定的氧化鋯(下文簡稱YSZ)和在YSZ中加入25wt.%CeO2(下文簡稱CSZ)在高溫合金鋼表面制備兩種熱障涂層。將兩種涂層在900 ℃下進行熱震試驗，使用SEM和EDS技術分析YSZ和CSZ陶瓷涂層的抗熱震性能。結(jié)果表明，CSZ在熱循環(huán)第63次時失效，而YSZ在第21次失效，新型的CSZ涂層抗熱震性能明顯優(yōu)于YSZ。CeO2可以提高Y2O3部分穩(wěn)定ZrO2的抗熱震性能。

氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯；等離子噴涂；陶瓷涂層；熱震性能

0 引 言

熱障涂層(Thermal Barrier Coatings, TBC)又稱陶瓷涂層，主要應用于航空飛機渦輪機葉片和武器裝備推進系統(tǒng)的熱端部件，這些零件工作長期處于高溫冷熱循環(huán)的環(huán)境下，熱障涂層覆蓋在零件表面，降低了基體材料承受的實際溫度，使其能在高于本身所承受的極限溫度進行工作，從而提高了零件的使用溫度和壽命。隨著高科技新型飛機和武器的不斷問世，將渦輪發(fā)動機推向高推重比發(fā)展，進氣口溫度也在不斷被提高[1,2]，例如推重比處于十二至十五的一級發(fā)動機葉片，對涂層的工作溫度要求達到1673 K以上[3]，所以傳統(tǒng)的熱障涂層YSZ材料面臨被淘汰，新型的熱障涂層材料有待于去研發(fā)。根據(jù)文獻[4, 5]，在YSZ中加入氧化鋁，但未能改變熱障涂層的壽命，大多數(shù)熱障涂層材料的導熱系數(shù)隨溫度升高而升高，但是一些稀土材料的導熱系數(shù)則隨溫度升高有降低的特點，同時可以提高應力釋放和增韌的效果，有利于提高熱障涂層的結(jié)合強度和抗熱震性能，所以本文利用傳統(tǒng)的8%Y2O3-ZrO2(YSZ)材料中加入質(zhì)量分數(shù)25%的CeO2作為對比研究材料，利用與激光熔凝技術[6]相似的大氣等離子噴涂技術在高溫合金鋼表面制備YSZ和CSZ兩種熱障涂層，測試和分析了兩種涂層抗熱沖擊性能。

通信聯(lián)系人：李任偉(1986-)，男，碩士。

1 實驗材料與方法

Correspondent author:LI Renwen(1986-), male, Master.

E-mail:li.renwei@163.com

1.1 實驗材料

本文選用試驗基體材料與航空渦輪機葉片材料相同的高溫合金鋼(GH30)，將其制成尺寸為Φ30 mm×4 mm圓柱體。熱障涂層體系包括粘結(jié)層和陶瓷涂層，粘結(jié)層材料為40 μm-70 μm的NiCrAlY微米級粉末，兩種陶瓷層材料為納米團聚粉末8%Y2O3- ZrO2和在8%Y2O3- ZrO2中摻雜25%(質(zhì)量分數(shù)) 的納米CeO2，團聚粒度范圍為20 μm-80 μm。

1.2 涂層的制備

噴涂前，將GH30表面進行粗化和烘干處理。采用3710型大氣等離子噴涂(APS)系統(tǒng)配合六軸機器人，按照設定程序進行自動噴涂。在基體材料表面先噴涂平均60 μm厚的粘結(jié)層，在粘結(jié)層上噴涂平均120 μm厚的陶瓷層，噴涂參數(shù)如表1 。

1.3 試驗方法

熱震性能測試試驗是根據(jù)航空工業(yè)標準：HB7269-96進行。將YSZ和CSZ試樣在900℃熱處理爐中保溫10 min，迅速放入常溫蒸餾水中淬冷，待樣件溫度冷卻后取出烘干，觀察表面情況，重復操作這一過程，直到涂層出現(xiàn)裂紋或剝落，定義為涂層完全失效。本實驗過程用體式顯微鏡( OLYMPUS-S261)跟蹤照相并記錄TBCs失效時達到的熱震次數(shù)來表征涂層的抗熱震性能。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 熱障涂層材料微觀形貌

圖1-a為熱障涂層粘結(jié)層材料NiCrAlY粉末，SEM照片可以看出粉末呈球形，表面比較光滑，為了使基體金屬材料與陶瓷工作層形成最佳的結(jié)合強度，提高陶瓷層的使用壽命，在基體材料與陶瓷工作層材料中間加入粘結(jié)層[7]。圖1-b和1-c分別為YSZ和CSZ納米團聚粉末，團聚粉末表面呈多孔、疏松和粗糙。由于納米材料質(zhì)量超輕，很容易在等離子焰流中被氣化或吹散，無法沉積在基體表面,粒度在20 μm-100 μm范圍的材料可用來制備納米涂層[8]，所以將納米粉末團聚成適合等離子噴涂的微米級粉末。

表1 等離子噴涂參數(shù)Tab. 1 Plasma spraying parameters

圖1 熱障涂層粉末SEM像 (a)NiCrAlY；(b)YSZ團聚粉末形貌；(c)CSZ團聚粉末形貌Fig.1 SEM morphology of TBC(a)SEM image of NiCrAlY; (b)SEM image of YSZ agglomerated powder; (c)SEM image of CSZ agglomerated powder

2.2 YSZ和CSZ熱震性能測試

圖2為YSZ涂層出現(xiàn)裂紋到裂紋脫落跟蹤圖片，圖2-a為熱震試驗進行到21次時，涂層邊緣出現(xiàn)裂紋，圖2-b為試驗進行到30次時，該裂紋處發(fā)生涂層脫落，圖2-c為試驗42次時邊緣涂層再次發(fā)生脫落。圖3-a為CSZ涂層僅在試驗進行到63次時，涂層邊緣發(fā)生首次脫落。從圖2，3涂層壽命和失效位置分析，涂層經(jīng)過熱震試驗過程中，YSZ和CSZ涂層脫落位置均為涂層邊緣，失效形式發(fā)生的均是陶瓷層脫離粘結(jié)層，CSZ抗熱震性能明顯優(yōu)于YSZ。理論上CSZ和YSZ與粘結(jié)層材料的熱膨脹系數(shù)之差約分別為(5-6)×10-6℃-1和(6-7)×10-6℃-1之間，兩種材料之間熱膨脹系數(shù)相差越小，材料匹配率就越高，兩者結(jié)合強度就越好，所以從數(shù)據(jù)上分析，CSZ涂層結(jié)合強度要優(yōu)于YSZ，符合試驗結(jié)果。同時，在熱震試驗前對CSZ涂層進行X射線衍射分析(如圖3-b)，涂層中產(chǎn)生t-Zr0.82Ce0.18O2和t-Y0.1CeO0.9O1.95化合物， 形成了穩(wěn)定的四方t相，t相有較強的斷裂韌性和室溫強度，有助于涂層的穩(wěn)定存在[9-11]，Ce4+能夠置換Zr2+離子形成固溶體，并使氧空位增加，造成晶格畸變，從而可促進四方相的穩(wěn)定性。從試驗結(jié)果分析，CSZ涂層抗熱震性能強于YSZ，這說明添加CeO2起到了提高抗熱震性能的作用。

圖4為熱震試驗后YSZ和CSZ涂層截面SEM背散射照片，可以清晰區(qū)分試樣截面分三層，最下層為基體材料，中間層為粘結(jié)層，上層為陶瓷層工作層，圖4-a為YSZ涂層截面照片，圖片上矩形區(qū)域為陶瓷層和粘結(jié)層交界處，交界處出現(xiàn)一道顏色較深的物質(zhì)，與圖4-b的CSZ對比，YSZ交界處黑色氧化物明顯多于CSZ，并且YSZ涂層熱震性能明顯不如CSZ。對YSZ中粘結(jié)層與陶瓷層交界處的黑色物質(zhì)進行EDS能譜分析(如圖5)，該黑色物質(zhì)含有Al、Ni、Y、O、和Cr元素，可以推斷此黑色物質(zhì)是一些金屬氧化物，據(jù)文獻[11]報道，熱障涂層在高溫熱循環(huán)過程中氧原子會穿過陶瓷涂層，與粘結(jié)層易氧化的金屬元素生成高溫氧化物，這是導致涂層失效的原因之一。當黑色物質(zhì)累積到一定數(shù)量，陶瓷層會和粘結(jié)層發(fā)生剝離，所以CSZ抗熱震性能優(yōu)于YSZ。

圖2 YSZ涂層失效照片(a)21次(b)30次(c)42次Fig.2 The failure morphologies of YSZ(a)21 rd thermal shock test; (b)30 rd thermal shock test; (c)42 rd thermal shock test

圖3 CSZ涂層涂層失效照片及XRD圖譜 (a) 63次 (b) CSZ涂層XRD圖譜Fig.3 The morphologies and XRD pattern of the CSZ coating(a)63rd thermal shock test; (b) XRD pattern of the CSZ coating

圖4 熱震試驗后熱障涂層截面SEM背散射像Fig.4 SEM back scattered morphology of TBC after of thermal shock test

圖5 黑色物質(zhì)能譜分析結(jié)果Fig.5 EDS analysis result of the black

3 結(jié) 論

本文使用新型的熱障涂層材料CSZ與傳統(tǒng)的YSZ進行高溫穩(wěn)定性能測試對比，通過對材料性能的理論分析和實驗結(jié)果比對，得出以下結(jié)論：

(1)CSZ和YSZ熱震試驗涂層失效形式都是邊緣陶瓷層脫離粘結(jié)層，粘結(jié)層氧化的形成是涂層失效的原因之一。

(2)添加CeO2固溶到Y(jié)SZ中，形成穩(wěn)定的四方T相化合物，提高了涂層抗熱震性能，延長了涂層的使用壽 命；

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Thermal Shock Resistance of Nanostructured CeO2/ZrO2-Y2O3Ceramic Coating Prepared by Plasma Spraying

LI Renwei1, GONG Wenbiao2
(1. School of Engineering Training Center, Northeast Dianli University, Jilin 132012, Jilin, China; 2. Key Laboratory of Advanced Structural Materials, Ministry of Education, Changchun University of Technology, Changchun 130012, Jilin, China)

An atmospheric plasma spraying technology was used to prepare two thermal barrier coatings on the surface of high-temperature alloy, in which the conventional nanosized yttria-partially-stabilized zirconia (YSZ) and YSZ + 25wt.% CeO2(CSZ) were applied, respectively. The thermal shock test was carried out at 900 ℃ and SEM and EDS technologies were used to analyze the thermal shockresistance of YSZ and CSZ ceramic coatings. The results showed that the CSZ coating failed at the 63rd thermal shock test and the YSZ coating failed at the 21st test, indicating that the thermal shock-resistance of the new CSZ coating should be significantly superior to that of the YSZ coating under the same condition and CeO2could improve the thermal shock-resistance of yttria-partially-stabilized zirconia.

yttria stabilized zirconia; air plasma spray; ceramic coating; thermal shock resistance

date: 2016-01-12. Revised date: 2016-04-18.

10.13957/j.cnki.tcxb.2016.05.005

TQ174.75

A

1000-2278(2016)05-0478-04

2016-01-12。

2016-04-18。

總裝備部武器預研基金項目(51461020201JW1301)