噴涂距離對超音速等離子噴涂制備熱障涂層性能的影響

摘 要：選取了四種不同的噴涂距離研究其對熱障涂層相關性能的影響。樣品高溫氧化實驗的結果接近，表現出了較高的抗氧化性能和耐熱循環性能。而隨著噴涂距離的變大，樣品致密性下降，導致熱導率下降。噴涂距離為100mm的熱障涂層樣品具有更均衡的性能。

關鍵詞：噴涂距離；超音速等離子噴涂；熱障涂層

熱障涂層（Thermal Barrier Coatings， TBCs）是在燃氣輪機葉片表面起到隔熱和抗氧化作用，實現提高使用溫度、降低系統冷卻要求的涂層系統。[1，2]

超音速等離子噴涂技術自上世紀80年代被研制以來，逐漸成為國際熱噴涂領域研究的前沿和重點方向之一。[3-5]國內外利用超音速等離子噴涂制備熱障涂層的研究還處于起步階段，是先進熱障涂層制備技術的前沿。

噴涂距離是生產過程重要的工藝參數之一。文章正是選取了四種不同的噴涂距離（80mm、100mm、120mm、140mm）研究不同噴涂距離對TBCs涂層相關性能的影響。

1 實驗方法

1.1 樣品制備

基體選用鎳基高溫合金Inconel718（In718），粘結層材料為NiCrAlY合金粉末，陶瓷層為w（Y2O3）=8%部分穩定的ZrO2（8YPSZ）。

超音速大氣等離子噴涂設備采用西安交通大學金屬材料強度國家重點實驗室第二代超音速等離子噴涂系統（HEPJ-jetⅡ），制備出不同噴涂距離（80mm、100mm、120mm、140mm）的熱障涂層樣品。

1.2 實驗設計和測試方法

箱式電阻爐升溫至1000 ℃穩定后將樣品放入，保溫500小時后將樣品取出空冷至室溫。用金相顯微鏡觀察其截面組織。另組織樣品在1000℃環境氧化23小時，隨后空冷1小時后稱重，隨即放入爐中繼續氧化，依此循環總計時間240小時。記錄循環次數和樣品每個時段的重量，繪制氧化增重曲線。使用掃描電子顯微鏡（JEOL，JSM7000F）觀察斷口形貌。使用DRL-II型導熱系數測定儀進行常溫熱導率的測定。

2 結果和討論

2.1 抗氧化性能

四種樣品進行1000℃氧化500小時后制備出截面金相，金相顯微照片如圖1所示，其中a、b、c、d圖各自代表噴涂距離為80mm、100mm、120mm、140mm的樣品情況。

在高溫氧化過程中，四個樣品的粘結層均出現了不同程度的內氧化現象，照片中黑色部分即為內氧化產物。粘結層內部氧化會對鋁元素進行消耗，不利于粘結層表面生成其抗氧化作用的穩定的α-Al2O3膜結構，從而影響涂層的抗氧化性能。比較而言（b）照片即噴涂距離為100mm樣品內氧化程度相對較低。

熱生長氧化物（Thermally Grown Oxide， TGO）的增厚被認為是熱障涂層失效的主要原因。[2]采用W. R. Chen[6]使用的方法對TGO平均厚度進行估算，結果如表2所示。樣品之間TGO厚度的差異證明了之前文中關于內氧化影響粘結層氧化行為的推論：內氧化相對嚴重的樣品（a）（d），產生了較厚的TGO層；（b）樣品內氧化程度較弱，氧化后生成的TGO層僅有4μm左右。盡管如此，與其他制備工藝相比[7]，四種樣品TGO厚度均在較小的范圍之內，這說明超音速等離子噴涂制備的熱障涂層具有相對良好的抗氧化性能。

對不同噴涂距離的樣品進行1000℃總計240h循環氧化實驗。用所得到的樣品增重數據繪制循環氧化動力曲線：橫坐標表示氧化時間，縱坐標表示單位面積上的增重質量。

氧化增重的實驗體現樣品的抗氧化能力和抗熱沖擊的能力。實驗中四種樣品均未有出現表面皸裂或脫落的情況。同時，如圖2所示，在240h的循環氧化過程中，不同時期的單位面積質量的增加值基本相同或者相近，樣品的增重情況遵循類似的趨勢。可以說明超音速等離子噴涂制備的熱障涂層，在抗氧化和抗熱循環性能方面，均體現出良好的性能，并且具有較高的工藝的穩定性。

2.2 熱導率計算

對四種不同噴涂距離的樣品進行常溫熱導率的測量，結果如圖3所示。總體來看涂層均保持了較好的隔熱性能：與普通大氣等離子噴涂制備的涂層樣品相近，均優于文獻中EB-PVD方法的報道。[7]但隨著噴涂距離的增加，樣品的熱導率不斷下降，即呈現較好的隔熱效果。這可以解釋為當噴涂距離較近時，噴涂粒子的飛行動量很大，因此層狀堆砌十分緊密，孔隙和裂紋都很少。因此熱導率較高。當噴涂距離增加，致密程度下降，組織中孔隙和裂紋的增多都會導致熱導率的下降。針對圖中所示的數據，我們可以觀察到當噴涂距離從100mm增加到120mm時，涂層的熱導率出現大幅度下降。

2.3 初始樣品斷口形貌分析

為研究產生隔熱性能區別的內在原因，實驗對上述四種不同樣品進行了氧化前初始斷口形貌的分析。如圖4所示，（a、b、c、d）分圖各自代表噴涂距離為80mm、100mm、120mm、140mm樣品的情況。涂層由柱狀晶粒區以及其間的細晶區組成，其中柱狀晶晶粒尺寸沒有發生明顯變化，均保持在5-8μm。顯著的差異體現在結構間的細晶粒區域：（a）所顯示的涂層組織在致密程度較高，細晶粒區域也由于噴涂過程中燒結的作用結合在了一起；而隨著噴涂距離的繼續增大，細晶區的晶粒逐漸變得分散，（b）圖中的細晶粒開始出現在層狀結構間隙的空穴中；（c）（d）圖中的細晶粒已經在層狀結構之間大量出現，并且尺寸逐漸減小空隙增大。這正是噴涂距離從100mm增加到120mm時，熱導率出現大幅度下降產生的原因。

四種不同噴涂距離樣品斷口形貌SEM照片

樣品的形貌狀態與前文所得到的結論得到較好的對應關系：隨著噴涂距離的增大，涂層中孔隙增多，導致熱導率下降。細晶粒以及其周圍孔隙可以有效提高涂層的隔熱性能，同時，在熱循環過程中較為疏密的結構可以一定程度提高樣品的應變容限，進而增加涂層的抗熱沖擊性能。但是，較大較多的孔隙，尤其是靠近金屬粘結層的部分，也容易造成粘結層的氧化增厚，對涂層的抗氧化性造成影響，同時對涂層和基體的結合程度產生不利影響。在實際使用過程中必須對兩方面因素予以權衡。

3 結束語

用超音速等離子噴涂的方法制備熱障涂層樣品，研究噴涂距離對其性能的影響。總體上，該工藝涂層質量易于控制，具有良好的工藝穩定性。樣品在高溫氧化實驗中的表現十分接近，均表現出了較高的抗氧化性能和耐熱循環性能。隨著噴涂距離的變大，涂層致密度下降致使熱導率隨之下降。比較而言，噴涂距離為100mm時制備的熱障涂層樣品具有更穩定均衡的性能。

參考文獻

[1]Sivakumar R， Modrike B L. High temperature coatings for gas turbine blades： a review[J]. Surface and Coatings Technology，1989（37）：139-160.

[2]Padture Nitin P， Gell Maurice， Jordan Eric H. Thermal barrier coatings for gas-turbine engine applications[J]. Science， 2002，296： 282-283.

[3]Han Zhihai， Xu Binshi， Wang Haijun， et al. A Comparison of Thermal Shock Behavior between Currently Plasma Spray and Recently Supersonic Plasma Spray CeO2-Y2O3-ZrO2 Graded Thermal Barrier Coatings[J].Surface and Coatings Technology， 2007，201：5253-5256.

[4]王海軍，朱勝，郭永明，等.高效能超音速等離子噴涂系統及其應用[J].金屬加工（表面工程技術），2008（18）：38-42.

[5]Yu. Bai， Han Zhihai， Li H.Q.， et al. High performance nanostructured ZrO2 based thermal barrier coatings deposited by high efficiency supersonic plasma spraying[J]. Applied Surface Science，2011（257）：7210-7216.

[6]W R Chen， E Irissou， X Wu， et al. The Oxidation Behavior of TBC with Cold Spray CoNiCrAlY Bond Coat[J]. Journal of Thermal Spray Technology，2011，20（1-2）：132-138.

[7]曹學強.熱障涂層材料[M].北京：科學出版社，2007.