等离子喷涂氧化锆陶瓷热障涂层的抗热震性能优化发表时间：2019-11-18 16:12 等离子喷涂氧化锆陶瓷热障涂层的抗热震性能优化 摘要 本文研究了等离子喷涂NiCrAIY作底层、氧化钇稳定的氧化锆作面层的热障涂层的抗震性能。采用真空等离子喷涂(vps)制备NiCrAIY底层和在面层材料中添加氧化铈的办法提高氧化锆陶瓷热障涂层的抗热震性能。结果表明，采用VPS的NiCrAIY底层可明显提高热障涂层的抗热震性能；而添加氧化铈则使涂层的抗热震性能下降。用x一射线衍射等进一步分析表明，加氧化铈的涂层的晶格体积增加，涂层的粘结强度降低。采用VPS的NiCrAlY底层的热障涂层受热后在氧化锆层和NiCrAIY层之间形成一薄层a--Al2O3层，有利于热障涂层抗热震性能提高。 关键词 等离子喷涂 热障涂层 抗热震 一、前言 早在六十年代，美国NASA的Lewia研究中心就开展了等离子喷涂热障涂层的研究，并取得重大进展，于六十年代未开始用于航空发动机燃烧室和加力燃烧室内衬及火焰筒的喷头。八十年代初期开始用于涡轮的转子部件，例如涡轮导向器平台和导向叶片的叶身型面等。现在，不仅在航空工业，而且在航天、内燃机等工业部门都得到了实际的应用。 氧化锆陶瓷以其热导率低，相对较高的热膨胀系数和高温下化学性质稳定等特点一直作为热障涂层的主要材料。氧化锆陶瓷热障涂层一直是隔热涂层方面的研究热点。但在最近十多年中，氧化锆热障涂层的进展并未达到人们原先期望的程度。在许多可望应用的领域仍处于实验研究阶段。其主要是因为陶瓷共价键与金属键的根本区别，从而陶瓷和金属之间形成一个脆弱的界面，同时由于两者热膨胀系数上的区别造成界面处的应力，使陶瓷涂层极易脱落和开裂，要使共价键的陶瓷和金属键的金属形成化学键结合，在目前的理论和技术上是不可能的，但是可以采用一些技术缓解脆弱界面处的应力，例如，选择合适的底层材料和制备工艺，采用适当的氧化锆稳定剂、控制陶瓷涂层的喷涂工艺参数获得残余应力小和孔隙率适当的涂层等。 大量的研究表明，在高温下工作的陶瓷热障涂层，其失效都发生在陶瓷层与底层的界面，底层的材料对热障涂层的性能有显著的影响。使用抗高温氧化和耐高温腐蚀性能优良的MCrAIY(M为Ni，Co或NiCo)材料作底层可明显提高热障涂层的寿命。 6～8％Y2O3部分稳定的氧化锆涂层是迄今为止被认为性能最好的热障涂层，它比早期的以氧化镁或氧化钙作稳定荆的涂层的性能都要好得多。其原因主要是Y203稳定的氧化锆涂层的高温稳定性好、热导率低、热膨胀系敬和断裂韧性高。因此，最近许多人试图通过加入热导率更低、热膨胀系数和断裂韧性更高的Ce02的办法，提高氧化锆热障涂层的隔热效果寿命。 作为氧化锫陶瓷热障涂层研究的一部分，本文主要介绍底层的喷涂工艺(大气或真空等离子喷涂，和面层材料中加入氧化铈对热障涂层热震性能的研究。 上述试验结果表明，采用VPs的NiCrAIY粘结底层的热障涂层其抗热震性能明显提高，说明底层的喷涂工艺对ZrO2热障涂层性能的影响是比较重要的。根据国外的许多研究，认为在氧化锆面层和底层之间增加一薄层(几个um的厚度)A12O3能显著提高ZrO2陶瓷热障涂层的寿命，本试验结果支持了这一观点。笔者在NiCrAIY涂层的高温氧化试验中发现VPS的N／CrAIY涂层在1000℃或1100℃的高温中能迅速氧化形成2u左右的a-AI203薄膜，而APS的NiCrAIY涂层由于孔隙率较高，氧化后形成的氧化物比较复杂且比较厚．正是ZrO2和NiCrAIY之间形成的A1203薄层，使ZrO2陶瓷涂层的面层与底层的界面结构发生了变化，提高了热障涂层的抗热震性能．氧化钇稳定的氧化锫涂层中加入氧化铈后，涂层的结合强度下降，导致涂层的抗热震佳能降低，这可能与加入氧化铈后，引起ZrO2晶格体积变化等有关。 四、结论 1．用VPS工艺制备ZrO2热障涂层的NiCrAIY底层，可明显提高涂层的抗热震性能。 2．ZrO2．8Y2O3涂层中加入CeO2后，晶格体积增大，涂层粘结强度降低，抗热震性能下降。且CeO2含量越高、抗热震性能下降越明显。
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