陳文龍，劉 敏，肖曉玲，張吉阜

(1.廣東省工業(yè)分析檢測中心，廣州 510650；2.廣東省新材料研究所，廣州 510650)

0 引言

熱障涂層(簡稱TBCs)不僅能夠提高航空發(fā)動機熱端部件的服役溫度，還能夠防止高溫合金基體過早發(fā)生高溫氧化腐蝕[1,2]。但飛機在低空或沙漠地帶飛行過程中，外界空氣中往往懸浮著許多塵埃硬質(zhì)小顆粒，它們進入發(fā)動機內(nèi)后會在慣性力作用下偏離氣體流道而撞向發(fā)動機葉片及熱端部件表面涂層，對涂層造成沖刷作用[3-5]。此外發(fā)動機封嚴涂層磨損失效剝落的微小碎屑以及燃燒形成的碳顆粒卷進高速射流中對發(fā)動機熱端部件表面涂層同樣會造成很大高溫沖刷作用[6,7]。在上述外部硬顆粒和高速噴射下，多孔結(jié)構(gòu)的熱障涂層的過早剝落失效是不可避免的，將造成涂層的使用壽命降低。因此，沙塵沖刷引起的熱障涂層過早剝落失效不容忽視。

蘇爾壽-美科基于等離子噴涂(PS)和物理氣相沉積(PVD)技術(shù)開發(fā)了等離子噴涂-物理氣相沉積技術(shù)，由于該技術(shù)具備高速等離子體(～120kW)和真空燃燒室(50-200Pa)，故噴涂粉末可以迅速被融化甚至氣化[8-9]。通過調(diào)節(jié)噴涂參數(shù)(如功率、噴距等)，可制備不同微觀結(jié)構(gòu)涂層，例如層狀涂層、柱狀涂層、混合結(jié)構(gòu)涂層等[10,11]，其中制備的羽-柱狀結(jié)構(gòu)熱障涂層熱導(dǎo)率低至0.50W/mK，具有優(yōu)異的抗氧化和抗熱震性能[12]，有望成為最具前景的高推重比發(fā)動機和渦輪葉片制備技術(shù)[13-18]。但PS-PVD沉積過程中，單位體積內(nèi)氣相粉末粒子濃度較大，“陰影效應(yīng)”加劇，涂層中納米晶粒存在嚴重搭橋現(xiàn)象[19]，晶粒之間的納米級孔隙來不及向外擴散遷移，造成了PS-PVD熱障涂層的孔隙率更高, 最高可達60%。國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對比研究了PS-PVD熱障涂層與APS和EB-PVD熱障涂層抗沖刷性能，表明了PS-PVD制備的羽-柱狀熱障涂層的抗沙塵沖刷性能仍不及APS和EB-PVD熱障涂層[20-21]。目前，在常溫條件下PS-PVD熱障涂層的沖刷失效行為和失效機理很少被研究，而采用APS技術(shù)改善PS-PVD熱障涂層抗沖刷性能的思路方法幾乎未被提及。

本文首先研究大氣條件下PS-PVD羽-柱結(jié)構(gòu)熱障涂層沖刷失效機理，然后結(jié)合APS技術(shù)，在PS-PVD熱障涂層表面制備了致密層狀熱障涂層，以提高PS-PVD羽-柱結(jié)構(gòu)熱障涂層的抗沖刷性能，重點研究致密層厚度對PS-PVD熱障涂層的抗沖刷行為的影響。

1 試驗

1.1 PS-PVD熱障涂層及復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層試樣制備

基體材料為Ni基高溫合金(K417G)，首先采用電火花線切割直徑25.4mm，厚度6mm圓柱試樣，接著對試樣表面進行打磨、超聲除油處理，采用28#號棕剛玉砂礫對除油后表面噴砂處理。然后在高溫合金表面沉積了一層粘結(jié)層(厚度約100μm)，以提高基體和涂層之間結(jié)合力，接著在粘結(jié)層表面制備羽-柱狀7YSZ涂層(厚度約200μm)。作為對比試驗，采用APS技術(shù)在羽-柱狀涂層表面分別制備一層厚度為5μm、10μm、20μm的致密層狀7YSZ涂層。熱障涂層制備工藝參數(shù)如表1所示。

表1 7YSZ熱障涂層制備工藝參數(shù)Table1 Deposition parameters of 7YSZ thermal barrier coatings

1.2 沙塵沖刷實驗

涂層抗沖刷性能測試按照GE E50TF121標準進行測試，采用剛玉(Al2O3)砂粒，粒徑大小為280目(約55μm)，有不規(guī)則棱角，沖刷距離為101.6mm，沖刷角度為20°，送砂速率約為2±0.5g/min，壓縮空氣壓力為0.25MPa, 沖刷裝置如圖1所示。采用涂層失重法來表征涂層的沖蝕速率，即每次加入0.005kg砂粒進行實驗，砂礫消耗完后取出稱重，計算每消耗1kg砂粒涂層的失重量，單位為g/kg。采用兩個平行試樣的平均值作為實驗測試結(jié)果，沖刷后涂層表面及截面微觀形貌采用SEM進行觀察。

圖1 沙塵沖刷實驗裝置Fig.1 Particle erosion test device

2 結(jié)果與討論

2.1 沖刷試驗結(jié)果及沖刷性能對比

圖2(a)-(d)為分別PS-PVD羽-柱結(jié)構(gòu)和復(fù)合結(jié)構(gòu)(PS-PVD+APS)熱障涂層沖刷前、沖刷1次、5次、6次后的宏觀照片。由于PS-PVD沉積涂層過程中往往會缺氧，故噴涂態(tài)PS-PVD熱障涂層呈現(xiàn)出灰白色。但隨著涂層表面致密層厚度增加，復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層表面顏色逐漸向黃色轉(zhuǎn)變，如圖2(a)所示。在沖刷1次后，如圖2(b)所示，由于1#涂層表面沒有致密層保護，因此1#號涂層表面被沖刷最為明顯，2#、3#復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層表面沖刷中心區(qū)呈現(xiàn)出白色，表明致密層也已經(jīng)被沖破，而4#復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層仍呈現(xiàn)出黃色，表明致密層未被沖破。沖刷5次后，1#涂層沖刷面積最大且呈現(xiàn)出與中間粘結(jié)層相近的顏色，同時4#復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層表面也出現(xiàn)了沖蝕點，且呈現(xiàn)出白色，表明致密層也被沖破，如圖2(c)所示。沖刷6次后，1#涂層沖刷面積沒有明顯增加，顏色也無明顯變化，2#、3#涂層沖刷區(qū)面積無明顯增加，但顏色有所加深，4#涂層表面沖蝕點逐漸增加形成較為明顯的灰白色沖刷區(qū)，但在沖刷區(qū)周圍仍存有明顯黃色致密層，如圖2(d)所示。

圖2 7YSZ熱障涂層沖刷宏觀照片：(a)噴涂態(tài)；(b)沖刷1次；(c)沖刷5次；(d)沖刷6次Fig.2 Macroscopic photos of 7YSZ thermal barrier coating: (a)As-sprayed, experienced erosion, (b)1 time,(c)5 times, (d)6 times

圖3為PS-PVD熱障涂層和復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層沖刷6次后中心區(qū)表面微觀形貌，可看到?jīng)_刷6次后中心區(qū)所有涂層表面形貌十分平坦，無法看到柱狀結(jié)構(gòu)。結(jié)合圖4中的沖刷中心區(qū)截面微觀形貌可推斷，在沖刷6次后，所有涂層的底部致密層均沒有被沖破，并仍然保留部分致密柱狀根部。此外，從圖4中明顯可以看到，隨著致密層厚度的增加，未被沖刷掉的致密根部越來越厚，分別為10μm、15μm、20μm、43μm，這說明致密層越厚，對PS-PVD熱障涂層的保護作用愈加明顯。

圖3 7YSZ涂層沖刷6次后中心區(qū)表面微觀形貌：(a)PS-PVD；(b)PS-PVD+APS(5μm)；(c)PS-PVD+APS(10μm)；(d)PS-PVD+APS(20μm)Fig.3 Center zone surface microscopic topography after erosion 6 times of 7YSZ coating:(a)PS-PVD, (b)PS-PVD+APS(5μm), (c)PS-PVD+APS(10μm), (d)PS-PVD+APS(20μm)

圖4 7YSZ涂層沖刷6次后中心區(qū)截面微觀形貌：(a)PS-PVD；(b)PS-PVD+APS(5μm)；(c)PS-PVD+APS(10μm)；(d)PS-PVD+APS(20μm)Fig.4 Center zone cross-sectional microstructure of the 7YSZ coating experienced erosion 6 times:(a)PS-PVD, (b)PS-PVD+APS(5μm), (c)PS-PVD+APS(10μm), (d)PS-PVD+APS(20μm)

2.2 PS-PVD熱障涂層沖刷行為及失效機理

圖5為涂層沖刷前和沖刷后的微觀表面形貌。從圖5(a)可以看出，涂層沖刷前微觀表面呈現(xiàn)出“菜花狀”結(jié)構(gòu)，這是由于粉末在高溫等離子體射流中被迅速氣化，并快速沉積在基體表面所導(dǎo)致。沖刷后的涂層表面微觀形貌如圖5(b)所示，從沖刷后表面形貌特征可以看出，在沖刷邊緣區(qū)(A區(qū))較為疏松，將其進行局部放大，如圖5(c)所示，可以看到?jīng)_刷前的涂層表面“菜花狀”頭部已剝落，表面呈現(xiàn)出V型槽形貌。圖5(d)為沖刷過渡區(qū)(B區(qū))的高倍圖，可發(fā)現(xiàn)V型槽越來越少，涂層表面柱狀結(jié)構(gòu)根部越來越多，還有一些根部剝落形成的凹坑。同時從一些根部的局部放大圖中還能發(fā)現(xiàn)貫穿柱狀結(jié)構(gòu)的“穿晶”微裂紋。圖5(e)為沖刷中心區(qū)域，該區(qū)域涂層表面相當致密，沒有發(fā)現(xiàn)任何的柱狀結(jié)構(gòu)。從局部高倍圖可看到明顯的切削溝槽，這與熱噴涂耐磨涂層(Cr3C2, WC-Co涂層等)沖蝕表面形貌相類似[22],故涂層中心區(qū)沖刷呈現(xiàn)出典型的微觀切削磨粒磨損失效機制[23-24]。

圖6為涂層沖刷前和沖刷后不同區(qū)域的截面圖。噴涂態(tài)PS-PVD熱障涂層截面頂部為典型的“菜花狀”頭部，如圖6(a)所示。當砂粒開始沖刷時，每個“菜花狀”頭部率先受到壓-壓脈沖載荷作用[24]，造成微裂紋在二次柱狀晶界處萌生。接著砂粒持續(xù)沖刷，微裂紋將沿著晶界擴展，導(dǎo)致“菜花狀”頭發(fā)生脆性斷裂剝落，形成如圖6(b)所示的V型槽。通常在沙塵沖刷過程中，涂層表面受到剪切應(yīng)力與壓力-壓力脈沖載荷的正應(yīng)力的相互作用，涂層表面V型槽邊緣的凸起部分經(jīng)受剪切脆性斷裂并剝離，使得涂層表面由較為平整的柱狀根部組成。接著當柱狀根部受到法向正應(yīng)力作用時，在柱狀根部內(nèi)部形成如圖5(d)中“穿晶”微裂紋，隨著沖刷的進行，“穿晶”微裂紋擴展會造成柱狀內(nèi)部結(jié)合力下降。此時受到剪切應(yīng)力作用時，柱狀根部將發(fā)生“穿晶”脆性斷裂，從而形成凹坑，如圖6(c)所示。當柱狀根部逐漸被沖刷完后，由于涂層底部為致密的陶瓷層，此時砂粒沖刷所產(chǎn)生的剪切應(yīng)力就像刀具對致密底層不斷切削，逐漸形成如圖6(d)所示的切削溝槽。

綜上所述，PS-PVD熱障涂層沖刷失效過程經(jīng)歷了三個階段：

快速沖刷階段，即砂粒對疏松的“菜花狀”頭部沖刷階段。當涂層表面“菜花狀”頭部受到砂粒壓-壓脈沖載荷沖刷，會造成涂層內(nèi)部二次柱狀晶界處微裂紋的萌生，隨著砂粒的不斷沖刷，“菜花狀”頭部剝落后在涂層表面形成V型槽。

中速沖刷階段，即砂粒對疏松頭部以下，致密底部以上柱狀結(jié)構(gòu)沖刷階段。柱狀結(jié)構(gòu)受到壓-壓脈沖載荷法向正應(yīng)力作用，在柱狀結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成“穿晶”微裂紋，最后在切應(yīng)力作用下造成柱狀結(jié)構(gòu)發(fā)生“穿晶”脆性斷裂剝落在涂層表面形成凹坑。

慢速沖刷階段，即砂粒對底部致密陶瓷層沖刷階段。當?shù)撞刻沾蓪邮艿綁?壓脈沖載荷正應(yīng)力和切應(yīng)力的相互作用發(fā)生塑性變形，其中正應(yīng)力導(dǎo)致致密層表面產(chǎn)生壓痕，切應(yīng)力像刀具一樣切削表面，形成長而淺的切削溝槽，屬于典型磨粒磨損失效機制。

圖5 熱障涂層沖刷前和沖刷后表面形貌圖：(a)噴涂態(tài)；(b)沖刷后；(c)沖刷A區(qū)放大圖；(d)沖刷B區(qū)放大圖；(e)沖刷C區(qū)放大圖Fig.5 Microscopic topography of the surface of thermal barrier coating before and after erosion:(a)As-spray, (b)after erosion, (c)magnified images of erosion zone A in Fig.2(b),(d)magnified images of erosion zone B in Fig.2(b), (e)magnified images of erosion zone C in Fig.2(b)

圖6 PS-PVD熱障涂層微觀截面圖： (a)噴涂態(tài)；(b)沖刷邊緣區(qū)；(c)沖刷過渡區(qū)；(d)沖刷中心區(qū)Fig.6 Section microstructures of thermal barrier coating by PS-PVD ：(a)As-spray, (b)erosion edge area, (c)erosion transition zone, (d)erosion center zone

2.3 致密層厚度對PS-PVD熱障涂層沖刷行為的影響

從前文分析可知PS-PVD熱障涂層沖刷經(jīng)歷了快速沖刷、中速沖刷和慢速沖刷過程，圖7為PS-PVD熱障涂層和復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層失重量隨耗砂量變化規(guī)律圖。已知等離子噴涂涂層(如Al2O3涂層等)沖刷失重曲線通常為一條單調(diào)線性直線[23,25-27]，表明沖刷過程中涂層的沖刷速率不變。而從圖7中可見致密層厚度5μm、10μm的復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層都經(jīng)歷了和PS-PVD熱障涂層相同的三個沖刷階段，致密層厚度為20μm復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層經(jīng)歷了兩個沖刷階段。當厚度為5μm時，復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層快速沖刷速率相對于PS-PVD熱障涂層稍有降低，但中速和慢速沖刷速度與PS-PVD熱障涂層幾乎一致。結(jié)合沖刷后的宏觀照片，可認為5μm致密層對PS-PVD熱障涂層沖刷性能無明顯改善；當厚度為10μm時，復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層快速沖刷速度相對于PS-PVD熱障涂層有明顯降低，此外中速沖刷速度也低于厚度5μm復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層，為7.78g/kg，這說明部分未被沖刷掉的10μm致密層仍然對PS-PVD熱障涂層有保護作用。而進入慢速沖刷階段，厚度10μm與5μm復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層沖刷速率無明顯差異，這主要是因為此時致密層幾乎被沖刷完，均對涂層無保護作用。結(jié)合沖刷后的宏觀圖片，可推測10μm致密層對PS-PVD熱障涂層抗沖刷性能有一定改善。若以中速沖刷速度作為復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層的平均沖刷速率，通過計算可知，抗沖刷性能提高了約30%。而當厚度增加20μm，復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層初始沖刷速率僅為1.31g/kg，結(jié)合宏觀照片，該速度可認為是層狀致密層的沖刷速率，這也說明在沖刷4次后致密層仍未被沖破，對PS-PVD熱障涂層起到完全保護作用。沖刷5次后沖刷直線斜率有所增加，這是由于致密層被沖破(如圖2(c)所示)，復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層后期沖刷速率為2.81g/kg。該速度和5μm、10μm復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層慢速沖刷速度相當，表明即使20μm致密層被沖破，仍然對PS-PVD熱障涂層有相當好的保護作用。若以20μm致密層被沖破后的沖刷速率作為該復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層的平均沖刷速率，計算可知20μm復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層抗沖刷性能相對于PS-PVD熱障涂層提高了約4倍。

圖7 7YSZ涂層沖刷失重量隨耗砂量的變化規(guī)律Fig.7 The variation law of mass loss of 7YSZ Coating with mass erodent exposure

3 結(jié)論

(1) PS-PVD熱障涂層沖刷過程先后經(jīng)歷了三個階段：首先是沙塵對疏松“菜花狀”頭部的快速沖刷階段，接著是沙塵對疏松頭部以下，致密底部以上柱狀結(jié)構(gòu)的中速沖刷階段。最后未沙塵對致密底部陶瓷層的慢速沖刷階段。

(2) 致密層厚度對PS-PVD熱障涂層抗沖刷性能的提升，隨著致密層厚度的增加而愈加明顯。當致密層厚度為5μm時，對PS-PVD熱障涂層的整體抗沖刷性能沒有明顯改善作用，只能降低了初始階段的快速沖刷速率；當致密層厚度為10μm時，復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層中速階段速率為7.78g/kg，使PS-PVD熱障涂層的抗沖刷性能約提高了30%；當致密層厚度為20μm時，在致密層被沖破后仍然能夠?qū)S-PVD熱障涂層仍起到相當好的保護作用，使PS-PVD熱障涂層抗沖刷性能提高了約4倍。