含鎳和鋁的氧化釔穩定氧化鋯復合涂層的顯微組織和抗氧化性能

陳 超 范宏譽 邢守義 周細應 王 偉 袁建輝

(1. 龍工(上海)機械制造有限公司，上海 201612; 2. 上海工程技術大學材料工程學院, 上海 201620)

熱障涂層被廣泛應用于汽輪機、噴氣式發動機、燃燒室、隔熱屏等設備的受熱零件[1- 6]，可采用等離子噴涂(APS)[1- 3]及電子束物理氣相沉積[4- 6]等方法制備，但這些方法的成本較高，并且難以應用于形狀復雜的零件。電泳沉積技術簡便且成本低，可在形狀復雜的工件表面制備復合涂層，因此備受關注[7- 9]。此外，電泳沉積不存在陶瓷在燒結過程中體積收縮的問題[10- 11]。

本文采用電泳沉積法在CH4氣氛中，在Inconel600 高溫合金試樣上制備了含鎳、鋁的氧化釔穩定氧化鋯(yttria- stabilized zirconia，YSZ)復合涂層(YSZ/(Ni, Al))，研究了YSZ/(Ni, Al)復合涂層的顯微組織、CH4氣氛及鎳與鋁的摩爾比對YSZ/(Ni, Al)復合涂層抗高溫氧化性能的影響。

1 試驗材料與方法

采用乙酰丙酮作懸浮液，加入92% YSZ和4%鎳粉及4%鋁粉(質量分數，下同)，懸浮液質量濃度為40 g/L。經超聲攪拌10 min后加入0.5 g/L 碘和0.1 g/L聚乙烯醇，再連續攪拌3 h備用。

采用電泳沉積技術在尺寸為20 mm×20 mm×3 mm的Inconel600 高溫合金試樣上沉積YSZ/(Al,Ni)復合涂層，試樣用丙酮清洗。采用石墨作陽極，試樣作陰極，板極間距為30 mm，沉積電壓 120 V，沉積時間 60 s。將沉積涂層后的試樣于1 100 ℃真空燒結2 h，真空度為6.67×10-3Pa；隨后在甲烷氣氛爐中1 100 ℃燒結2 h，爐壓5×10-2Pa，爐冷；再將試樣在1 100 ℃靜止空氣中氧化10、50 h。

采用掃描電鏡觀察涂層的表面和截面形貌；采用能譜儀檢測涂層成分；采用X射線衍射儀分析涂層的微觀結構及氧化產物的組成；檢測3種鎳與鋁摩爾比不同(1∶3、1∶2和1∶1)的YSZ/(Ni, Al)復合涂層的微觀結構。

2 試驗結果與分析

2.1 YSZ/(Ni, Al)涂層的物相

圖1為在1 100 ℃甲烷氣氛中燒結2 h后 YSZ/(Ni, Al)涂層的 XRD圖譜。圖 1(a)表明：Ni、Al摩爾比為1∶3的復合涂層主要由t- ZrO2和ZrC組成；Ni、Al摩爾比為1∶2的復合涂層主要由AlNi3、ZrC和t- ZrO2相組成；Ni、Al摩爾比為1∶1的復合涂層主要由Ni相、ZrC和t- ZrO2組成，即3種試樣的YSZ/(Ni, Al)涂層中均有ZrC生成。有研究表明[12]，YSZ復合涂層中的 ZrO2在高溫下會與碳反應生成ZrC，可提高涂層的抗高溫氧化性能。也有研究表明[13]，燒結過程中ZrC的形成有利于提高燒結后涂層的致密性。

圖1 Ni、Al摩爾比為(a)1∶3、(b)1∶2和(c)1∶1的YSZ/(Ni, Al)涂層試樣在1 100 ℃燒結2 h后的 XRD圖

圖2為YSZ/(Ni, Al)涂層試樣在1 100 ℃靜止空氣中氧化10 h后的XRD圖譜。從圖2可以發現，經1 100 ℃氧化10 h后，Ni、Al摩爾比為1∶3的涂層主要由Al2O3和t- ZrO2相組成(圖2(a))；Ni、Al摩爾比為1∶2的涂層主要由Al2O3、t- ZrO2和NiAl2O4組成(圖2(b))；Ni、Al摩爾比為1∶3的涂層主要由Ni相、NiO和 t- ZrO2相組成(圖2(c))。

圖2 Ni、Al摩爾比為(a)1∶3、(b)1∶2和(c)1∶1的YSZ/(Ni, Al)涂層試樣經1 100 ℃氧化10 h后的XRD圖

圖3為YSZ/(Ni, Al)涂層試樣在1 100 ℃靜止空氣中氧化50 h后的XRD圖譜。從圖3(a)和3(b)可以發現，氧化50 h后，Ni、Al摩爾比為1∶3和1∶2的復合涂層主要由Al2O3和NiAl2O4相組成，說明涂層中的鋁已被完全氧化。

圖3 Ni、Al摩爾比為(a)1∶3、(b)1∶2和(c)1∶1的YSZ/(Ni, Al)涂層試樣經1 100 ℃氧化50 h后的XRD圖

2.2 YSZ和YSZ/(Ni, Al)涂層的形貌

圖4為在1 100 ℃甲烷氣氛中燒結2 h后YSZ涂層和不同Ni、Al摩爾比的YSZ/(Ni, Al)復合涂層的截面形貌。從圖4可以看出，幾種復合涂層的厚度大致為40 μm，YSZ涂層和Ni、Al摩爾比為1∶3的涂層與基體結合良好。相比于YSZ 涂層(圖4(a))，Ni、Al摩爾比為1∶3的涂層孔洞較少(圖4(b))。研究表明，燒結過程中ZrC相的形成有利于提高燒結后涂層的致密性。

圖4 (a)YSZ涂層及Ni、Al摩爾比為 (b)1∶3和(c) 1∶2的YSZ/(Ni, Al)涂層在1 100 ℃甲烷氣氛中燒結2 h后的截面形貌

圖5和圖6為YSZ涂層和Ni、Al摩爾比為1∶3和1∶2的涂層在1 100 ℃空氣中氧化10和50 h后的截面形貌。從圖5(a)可以看出，1 100 ℃氧化10 h的YSZ涂層中有微裂紋和孔洞，并且隨著氧化時間的延長而增多。圖5(b)表明，Ni、Al摩爾比為1∶3的涂層經1 100 ℃氧化10 h后，其外層與內層的形貌不同，外層孔隙較少且較致密。說明在氧化過程中涂層內生成的 Al2O3和NiAl2O4會填補涂層中的孔洞和微裂紋，從而提高了涂層的致密度。

圖5(c)和圖6(c)分別為Ni、Al摩爾比為1∶2的涂層在1 100 ℃氧化10和50 h后的截面形貌。從圖中可以發現，Ni、Al摩爾比為1∶2的涂層在高溫氧化過程中發生了裂紋自修復，這與文獻[11]的研究結果一致。

2.3 YSZ和YSZ/(Ni, Al)涂層在1 100 ℃的氧化動力學

圖7為YSZ涂層和YSZ/(Ni, Al)涂層的1 100 ℃氧化動力學曲線。從圖7可以看出，高溫氧化50 h后，Ni、Al摩爾比為1∶3和1∶2的涂層試樣的增重分別為0.011 56和0.011 72 mg/mm2,小于YSZ涂層試樣的0.022 97 mg/mm2。說明YSZ/(Ni, Al)復合涂層的抗氧化性能優于YSZ涂層。

3 結論

(1)在1 100 ℃甲烷氣氛中燒結2 h后，YSZ/(Ni, Al)復合涂層中形成ZrC，可提高涂層的致密度。

(2)YSZ/(Ni, Al)復合涂層中AlNi3在氧化過程中形成Al2O3，將填充涂層中的孔洞和裂紋，促進涂層中裂紋自愈合，從而進一步改善涂層的致密度和抗高溫氧化性能。