等離子噴涂納米結構熱障涂層組織結構與殘余應力分析.pdf

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

2、直接購買得到的傳統(tǒng)結構喂料在同種工藝條件下，分別采用了兩種不同的工藝進行了熱噴涂實驗。制備了不同厚度分布的納米結構與傳統(tǒng)結構兩種類型的熱障涂層。
　　對涂層進行了組織結構分析，表面組織結構分析表明：納米結構涂層工作層致密，粗糙度小，而傳統(tǒng)結構涂層工作層疏松，粗糙度大。截面組織結構分析表明，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)域構成。對于納米結構熱障涂層，其工作層缺陷少，裂紋細小，且呈現(xiàn)不規(guī)則的

3、網狀分布，打底層與工作層結合的界面處缺陷也少，而傳統(tǒng)結構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合缺陷也大。
　　對兩種涂層的截面進行了顯微硬度測試，測試結果表明，納米結構和傳統(tǒng)結構熱障涂層工作層的顯微硬度分別為HV810.1和HV775.8。壓痕的SEM分析結果表明，納米結構涂層壓痕處裂紋短而細，而傳統(tǒng)結構熱障涂層壓痕處裂紋長而寬。對兩種涂層的截面進行了納米壓痕實驗，結果表明，打底層的

4、彈性模量為33.84GPa，納米結構和傳統(tǒng)結構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行了氣孔率的測量，測量結果表明，納米結構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構與傳統(tǒng)結構的熱障涂層，前者工作層的氣孔率小于后者。
　　涂層的表層殘余應力測試結果分析表明，納米結構的熱障涂層的表層殘余應力明顯低于傳統(tǒng)結構熱障涂層的表層的殘余應力，

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

6、構熱障涂層的熱導率分別為1.14W·m-1·K-1，1.39W·m-1·K-1，涂層的隔熱溫度試驗結果表明：在800℃條件下，納米結構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，且納米結構熱障涂層的隔熱溫度高于傳統(tǒng)結構。
　　涂層的抗熱震性試驗表明：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、擴展到工作層，在熱循環(huán)過程中,會產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力進行了有限元的計算，計算結果與涂層的殘余應力實驗結果吻合較好。對打底層與工作層具有正弦曲線的界面的殘余應力進行了計算，計算結果表明，涂層的殘余應力是界面形貌的函數(shù)。對涂層的隔熱也進行了計算，計算結果與實驗也基本吻合。對TGO界面處具有一個沿陶瓷層方向的垂直裂紋熱障涂層的熱循環(huán)過程進行了