等離子噴涂納米結(jié)構(gòu)熱障涂層組織結(jié)構(gòu)與殘余應(yīng)力分析.pdf

1、本文采用了20nm以下的ZrO2-8wt.％Y2O3為原料，在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)條件下，通過球磨制漿、噴霧干燥、燒結(jié)熱處理、等離子處理等一系列步驟，制備了ZrO2-8wt.%Y2O3（8YSZ）納米結(jié)構(gòu)團(tuán)聚體可噴涂喂料。
　　SEM分析結(jié)果表明：納米結(jié)構(gòu)團(tuán)聚體喂料呈現(xiàn)球狀包覆型結(jié)構(gòu)，粒徑大約在10～50μm之間，流動(dòng)性好，非常適合進(jìn)行等離子噴涂。而傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)喂料則呈現(xiàn)不規(guī)則的多邊形狀。
　　將通過噴霧造粒得到的納米結(jié)構(gòu)團(tuán)聚體喂料以及

2、直接購買得到的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)喂料在同種工藝條件下，分別采用了兩種不同的工藝進(jìn)行了熱噴涂實(shí)驗(yàn)。制備了不同厚度分布的納米結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)兩種類型的熱障涂層。
　　對涂層進(jìn)行了組織結(jié)構(gòu)分析，表面組織結(jié)構(gòu)分析表明：納米結(jié)構(gòu)涂層工作層致密，粗糙度小，而傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)涂層工作層疏松，粗糙度大。截面組織結(jié)構(gòu)分析表明，兩種涂層均由打底層和工作層組成。其中打底層由熔凝區(qū)域、半熔凝區(qū)域、未熔凝區(qū)域構(gòu)成。對于納米結(jié)構(gòu)熱障涂層，其工作層缺陷少，裂紋細(xì)小，且呈現(xiàn)不規(guī)則的

3、網(wǎng)狀分布，打底層與工作層結(jié)合的界面處缺陷也少，而傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的熱障涂層工作層缺陷多，裂紋較為粗大，且工作層還出現(xiàn)碎裂現(xiàn)象。打底層與工作層的界面結(jié)合缺陷也大。
　　對兩種涂層的截面進(jìn)行了顯微硬度測試，測試結(jié)果表明，納米結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)熱障涂層工作層的顯微硬度分別為HV810.1和HV775.8。壓痕的SEM分析結(jié)果表明，納米結(jié)構(gòu)涂層壓痕處裂紋短而細(xì)，而傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)熱障涂層壓痕處裂紋長而寬。對兩種涂層的截面進(jìn)行了納米壓痕實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，打底層的

4、彈性模量為33.84GPa，納米結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)熱障涂層工作層的彈性模量分別為120.12GPa和135.02GPa。對這種涂層截面工作層進(jìn)行了氣孔率的測量，測量結(jié)果表明，納米結(jié)構(gòu)熱障涂層工作層的氣孔率隨著涂層厚度的增加而增加，而在相同工藝條件下制備的同種厚度的納米結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的熱障涂層，前者工作層的氣孔率小于后者。
　　涂層的表層殘余應(yīng)力測試結(jié)果分析表明，納米結(jié)構(gòu)的熱障涂層的表層殘余應(yīng)力明顯低于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)熱障涂層的表層的殘余應(yīng)力，

5、約低24.7%。對于具有相同打底層的納米結(jié)構(gòu)熱障涂層，其表層殘余應(yīng)力的數(shù)值隨著陶瓷層的厚度增加而增加，當(dāng)陶瓷層厚度在240μm以下，表層為殘余壓應(yīng)力，而當(dāng)陶瓷層厚度超過300μm時(shí)，表層為殘余拉應(yīng)力。本文對這一結(jié)果提出了相應(yīng)的物理力學(xué)模型并予以解釋。
　　涂層的結(jié)合強(qiáng)度分析測試表明，納米結(jié)構(gòu)熱障涂層的結(jié)合強(qiáng)度隨著陶瓷層的厚度增加而減小，同種厚度納米結(jié)構(gòu)熱障涂層的結(jié)合強(qiáng)度高于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的熱障涂層。涂層的熱導(dǎo)率測試表明，納米結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)結(jié)

6、構(gòu)熱障涂層的熱導(dǎo)率分別為1.14W·m-1·K-1，1.39W·m-1·K-1，涂層的隔熱溫度試驗(yàn)結(jié)果表明：在800℃條件下，納米結(jié)構(gòu)熱障熱障涂層的隔熱溫度大約在170℃左右，且隔熱溫度值隨著陶瓷層厚度值的增加而增加，且納米結(jié)構(gòu)熱障涂層的隔熱溫度高于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
　　涂層的抗熱震性試驗(yàn)表明：隨著工作層與打底層厚度比的增加，涂層的熱循環(huán)次數(shù)在下降。SEM及EDS分析結(jié)果表明：熱循環(huán)過程中，涂層裂紋起源于打底層與工作層的界面，并沿著界面

7、擴(kuò)展到工作層，在熱循環(huán)過程中,會(huì)產(chǎn)生少量的熱生長氧化層(TGO)，TGO的存在加速了涂層的失效破壞。
　　采用ANSYS生死單元對熱障涂層的殘余應(yīng)力進(jìn)行了有限元的計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與涂層的殘余應(yīng)力實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。對打底層與工作層具有正弦曲線的界面的殘余應(yīng)力進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明，涂層的殘余應(yīng)力是界面形貌的函數(shù)。對涂層的隔熱也進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)也基本吻合。對TGO界面處具有一個(gè)沿陶瓷層方向的垂直裂紋熱障涂層的熱循環(huán)過程進(jìn)行了