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1、ZrO2热障涂层耐高温冲刷性能研究简中华,王富耻,曹素红(北京理工大学材料科学与工程学院,北京100081)摘要:采用等离子喷涂工艺制备了NiCoCrAlY/ZrO2热障涂层,利用超音速火焰喷涂(HVOF)ZrO2粒子高速冲刷涂层表面,考察ZrO2热障涂层的耐高温冲刷性能。结果表明,等离子喷涂NiCoCrAlY/ZrO2热障涂层具有较好的耐高温冲刷性能,经高温高速粒子冲刷20s后,涂层与基体结合良好,涂层完整,未出现大面积的剥落。等离子喷涂ZrO2热障涂层高温冲刷的主要磨损机理为脉动冲击作用造成的裂纹扩展、涂层颗粒变形磨损和微切削。涂层
2、的耐高温冲刷性能主要取决于涂层的硬度。关键词:热障涂层;高温冲刷性能;变形磨损;微切削中图分类号:TG4385文献标识码:A近年来,热障陶瓷涂层以其耐热、抗腐蚀和导热间分别设为10s,15s,20s。采用精度为01mg的率低等优良性能而被广泛用于航空发动机的表面改DT100光电天平对冲刷前后试样称重。由于冲刷[12]性。传统上,常采用循环加热冷淬或高温高速中心位置处火焰温度相对较高,颗粒动能较大,涂层热流冲刷的方法考察涂层的结合强度、隔热以及抗厚度损失较明显,因此,利用千分尺对试样冲刷中心[35]热震等性能。然而,航空发动
3、机燃烧室的工作环处的厚度进行测量。采用JSM5600LV型扫描电境十分苛刻,不仅工作温度高,而且存在大量温度接子显微镜观察冲刷试验后涂层表面形貌。近3000左右的高温凝相颗粒,在高速燃气流携2试验结果分析带下剧烈冲刷发动机各部件,从而影响发动机的使[68]21涂层质量及厚度损失用性能。本文即针对这一问题,采用等离子喷涂工艺制备NiCoCrAlY底层及部分稳定ZrO2热障表2为冲刷前后涂层质量及冲刷中心位置厚度的测量结果。图1、图2分别为涂层质量损失及涂工作涂层,利用超音速火焰喷涂ZrO2颗粒冲刷热层冲刷中心位置厚度损失与冲刷持续
4、时间的关系。障涂层表面,模拟航空发动机的工作环境,通过测定由图1、图2可见,在高温高速粒子冲刷作用下,涂不同冲刷时间下涂层的质量损失和厚度损失,并观层质量损失及涂层冲刷中心位置厚度损失与冲刷时察涂层冲刷后的形貌特征,分析ZrO2热障涂层的间呈非线性递增的关系,表明随着冲刷时间的增加,耐高温冲刷性能。涂层质量减小,厚度变薄,且其质量损失量与厚度损1试验方法失量随冲刷时间的延长而增大,涂层破坏加快。此外,由表2及图2可以看出,当冲刷时间持续到20s基体材料选用45钢,制成圆柱形,直径36时,ZrO2涂层厚度损失值达到03mm,小于ZrO2m
5、m,厚度10mm。喷涂粉末选用NiCrCoAlY和部涂层本身的厚度(接近05mm),基体上涂层覆盖分稳定的ZrO2。喷涂设备采用PRAXTAFA公司完整,未出现暴露,这说明ZrO2涂层具有较好的耐的5500等离子喷涂装置。喷涂工艺参数见表1。高温高速粒子冲刷的性能。测得涂层整体厚度平均值为07mm,其中ZrO2工表2冲刷前后试样质量及厚度作涂层厚度平均值为05mm。涂层冲刷时冲刷前冲刷后表1喷涂工艺参数编号间/s测重/g测厚/mm测重/g测厚/mm电流主气Ar辅气He载气喷涂次粉末粒11081918510622817837
6、10459成分/A/SCFH/SCFH/SCFH数/次径/m2158194151077281765610560NiCrCoAlY6001201511445~803208266331098082367110674ZrO2900120159620~4522涂层形貌分析采用超音速火焰喷涂部分稳定ZrO2粉末进行图3为不同冲刷持续时间内ZrO2涂层的表面高温冲刷试验。超音速火焰喷涂温度较低,喷涂颗宏观形貌。如图3所示,ZrO2涂层经高温高速粒子粒的飞行速度高,可以减少ZrO2颗粒在火焰中的冲刷后,涂层与基体结合良好,表面
7、未出现明显的涂熔化,使其以固态或固液混合状态冲刷涂层表面。层剥落现象。如图3a所示,当冲刷时间t达到10s冲刷距离为200mm,冲刷角度为30,冲刷持续时时,经冲刷作用的ZrO2涂层表面与未冲刷涂层表66《新技术新工艺》材料与表面处理技术2006年第7期成的脉动冲击作用超过涂层材料的弹性极限时,涂[89]层将沿切向发生变形磨损和微切削。另外,在高速粒子脉动切向作用下,涂层表层结合强度较弱的颗粒与周围颗粒间的结合易被破坏,颗粒从涂层主体中剥落。由图4c所示,冲刷时间增至15s时,裂纹扩展较为严重,涂层颗粒进一步被磨平,涂层更加
8、光滑,且颗粒剥落形成的凹坑也由图4b中的较为尖图1涂层质量损失与冲图2涂层厚度损失与冲锐形貌向底部及边缘更加圆滑形过渡,这说明凹坑刷时间关系刷时间关系在后
