賈 燕 趙永濤

(1.河北傳媒學(xué)院 美術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院，石家莊 050000；2.河南工程學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，鄭州 451191)

為更好地保護(hù)航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵熱端部件，常用的技術(shù)手段是在表面制備具有良好隔熱性能的熱障涂層[1-2]。盡管尋求替代氧化釔部分穩(wěn)定氧化鋯(Y2O3stabilized partially ZrO2，簡(jiǎn)稱(chēng)YSZ)的新型陶瓷材料是目前該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，但YSZ仍然是目前現(xiàn)役主要涂層[3]。然而，由于發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件惡劣的服役環(huán)境，燃料燃燒所產(chǎn)生的水蒸氣，以及燃料中的Na2O、V2O5和P2O5等雜質(zhì)，這些雜質(zhì)會(huì)與YSZ的穩(wěn)定劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，加速涂層的脫落失效[4-5]。莫來(lái)石涂層能有效阻止水蒸氣向底層材料的擴(kuò)散，同時(shí)也具有一定的抗腐蝕能力[6]。因此，將莫來(lái)石涂層與YSZ涂層進(jìn)行有效組合會(huì)改善YSZ熱障涂層的抗腐蝕性能。

將莫來(lái)石與YSZ涂層進(jìn)行有效組合也是環(huán)境障涂層技術(shù)領(lǐng)域常用手段，如GUIMARAES等[7]研究了Si/莫來(lái)石/ZrO2以及Si/75% Mullite+25%YSZ/50%Mullite+50% YSZ/ YSZ三種環(huán)境障涂層的裂紋擴(kuò)展情況，發(fā)現(xiàn)SiC基體與Si層界面處存在較大的熱應(yīng)力，最易造成剝落裂紋的形成和擴(kuò)展。在潮濕的環(huán)境下，熱循環(huán)對(duì)等離子噴涂莫來(lái)石/YSZ涂層氣孔率和力學(xué)性能無(wú)明顯影響，而YSZ/50%莫來(lái)石/Si涂層可有效降低裂紋的形成和擴(kuò)展[8-9]。BOTOERO等[10]研究發(fā)現(xiàn)，化學(xué)氣相沉積制備莫來(lái)石/YSZ涂層的彈性模量、硬度隨Al/Si比例增加而增大，但涂層斷裂韌性卻隨Al/Si比例增加而降低。LEE[11]將莫來(lái)石/YSZ涂層在1 300 ℃下200 h水蒸氣腐蝕后發(fā)現(xiàn)，莫來(lái)石/YSZ界面處由于莫來(lái)石與YSZ之間熱膨脹性能不匹配而產(chǎn)生裂紋，水蒸氣會(huì)通過(guò)這些裂紋滲入基體，造成SiC基體損傷。COKOCARU等[12]研究發(fā)現(xiàn)，降低莫來(lái)石粉體的尺寸，不僅可提高YSZ/莫來(lái)石涂層的致密度和防護(hù)能力，而且涂層的彈性模量和硬度也能得到改善。鑒于莫來(lái)石/YSZ涂層優(yōu)異的性能，本文采用ANSYS軟件就涂層單層厚度對(duì)ZrO2/莫來(lái)石熱障涂層熱沖擊性能的影響進(jìn)行了分析，本文探討目前將等離子噴涂莫來(lái)石/YSZ涂層用作熱障涂層的可行性，為進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)探討莫來(lái)石/YSZ用作熱障涂層奠定基礎(chǔ)。

2 計(jì)算模型及過(guò)程

本文所研究的熱障涂層，主要由表面ZrO2層、中間莫來(lái)石層和金屬基體組成?；谇捌谘芯康幕A(chǔ)，此處選用2Cr13鋼作為涂層的基體材料[13]。在計(jì)算過(guò)程中，金屬基體的厚度為10 mm，直徑為18 mm，并始終保持不變。計(jì)算時(shí)先取表面ZrO2厚度為0.2 mm，而莫來(lái)石層厚度則在0.1～0.3 mm范圍內(nèi)變化。進(jìn)而在固定表面莫來(lái)石層厚度的基礎(chǔ)上，分析表面ZrO2厚度也在0.1～0.3 mm范圍內(nèi)變化對(duì)涂層熱沖擊性能的影響。計(jì)算時(shí)，根據(jù)實(shí)際樣品的圓柱形狀將其簡(jiǎn)化為二維問(wèn)題，同時(shí)做如下幾點(diǎn)假設(shè)：1)表面ZrO2層/莫來(lái)石層/金屬基體之間的界面處結(jié)合緊密；2)不考慮涂層內(nèi)部顯微組織對(duì)涂層熱物理性能參數(shù)的影響；3)忽略溫度對(duì)涂層系統(tǒng)不同部分的性能參數(shù)的影響；4)整個(gè)涂層為各向同性，且不發(fā)生塑性變形。簡(jiǎn)化后涂層的模型及對(duì)涂層系統(tǒng)進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分后的結(jié)果如圖1所示。

圖1 ZrO2-莫來(lái)石涂層模型示意圖Fig.1 Sketch map of ZrO2-mullite coatings

計(jì)算時(shí)假定涂層系統(tǒng)被加熱到1 000 ℃，隨后立即放入20 ℃的水中，涂層系統(tǒng)與水發(fā)生對(duì)流換熱，水的對(duì)流系數(shù)取3 000 W/(m2·℃)。計(jì)算冷卻180 s后涂層內(nèi)部的熱沖擊應(yīng)力，重點(diǎn)分析ZrO2涂層表面及表面層與莫來(lái)石層界面處的沖擊熱應(yīng)力。計(jì)算中用到的熱物理性能參數(shù)如表1所示。

表1 ZrO2-莫來(lái)石涂層的熱物理性能參數(shù)Table 1 Thermophysical parameters of ZrO2-mullite coatings

3 結(jié)果及討論

3.1 莫來(lái)石層厚度影響

計(jì)算得到的5種不同莫來(lái)石層厚度下涂層表面的熱沖擊應(yīng)力如圖2所示。從圖2(a)中可以看出，除厚度為0.25 mm的涂層之外，不同莫來(lái)石層厚度下涂層表面徑向熱應(yīng)力變化趨勢(shì)基本一致。當(dāng)表面層厚度為0.25 mm時(shí)，徑向應(yīng)力變化函數(shù)為增函數(shù)，呈緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)，在達(dá)到最大值666.53 MPa之后趨近一條平穩(wěn)的水平線；圖2(b)是5種不同的莫來(lái)石層厚度在表層的軸向應(yīng)力的大小隨距離試樣中心遠(yuǎn)近變化時(shí)的趨勢(shì)圖。莫來(lái)石層厚度為0.3 mm時(shí)，2Cr13表層達(dá)到最大軸向力119.10 MPa；然后迅速變小，X=1.4 mm處的軸向應(yīng)力為1.349 7 MPa，此時(shí)為最小值；此后的軸向力趨于平穩(wěn)，基本無(wú)變化。其他不同厚度的莫來(lái)石層對(duì)于表層的軸向應(yīng)力變化趨勢(shì)十分穩(wěn)定。圖2(c)是5種不同的莫來(lái)石層厚度基于表層的剪切應(yīng)力的大小隨距離試樣中心遠(yuǎn)近變化時(shí)的趨勢(shì)圖，可見(jiàn)厚度為0.15、0.2、0.25、0.3 mm的莫來(lái)石層對(duì)于表層的剪切力基本無(wú)變化，數(shù)據(jù)十分穩(wěn)定，而厚度為0.1 mm的莫來(lái)石層對(duì)于表層的剪切力在X=1.3 mm時(shí)變化顯著，呈迅速減小的趨勢(shì)，最大剪切應(yīng)力為161.41 MPa。

圖2 莫來(lái)石層厚度對(duì)涂層表面熱應(yīng)力影響(a)徑向應(yīng)力(b)軸向應(yīng)力(c)剪切應(yīng)力Fig.2 Influence of thickness of mullite-layer on surface thermal-stress (a)radial stress(b)axial stress(c)shear stress

圖3為莫來(lái)石層厚度對(duì)涂層ZrO2/莫來(lái)石界面處熱應(yīng)力影響。在圖3(a)中，厚度為0.1、0.15、0.2、0.3 mm的莫來(lái)石涂層徑向力有著相似的變化規(guī)律，次表層徑向力變化很小，厚度為0.25 mm的莫來(lái)石涂層使得次表層徑向力變化顯著，從最小值-700 MPa變化到最大值-109 MPa。

圖3 莫來(lái)石層厚度對(duì)涂層ZrO2/莫來(lái)石界面處熱應(yīng)力影響(a)徑向應(yīng)力(b)軸向應(yīng)力(c)剪切應(yīng)力Fig.3 Influence of thickness of mullite-layer on thermal-stress at interface of ZrO2/mullite (a)radial stress(b)axial stress(c)shear stress

從圖3(a)徑向應(yīng)力分布曲線圖中可以發(fā)現(xiàn)只有一條曲線是增函數(shù)，從開(kāi)始到結(jié)束都呈逐漸遞增的趨勢(shì)，在達(dá)到峰值后趨于平穩(wěn)。圖3(b)中的軸向應(yīng)力分布圖卻有著很大的不同，厚度為0.1、0.15、0.2、0.3 mm莫來(lái)石層的曲線呈平穩(wěn)變化，而厚度為0.25 mm的莫來(lái)石層的曲線從初始的63 MPa迅速變小為-21 MPa，最小軸向應(yīng)力為0.005 MPa。圖3(c)則是次表層界面處軸向熱沖擊力分布曲線圖，其中四條曲線變化趨勢(shì)十分相似，厚度為0.1、0.15、0.2、0.3 mm；最小剪切力在厚度為0.2 mm莫來(lái)石層的曲線上，最小值為0.011 4 MPa。

3.2 ZrO2層厚度影響

以第一次計(jì)算分析的結(jié)果做參考，在ZrO2層為0.1 mm時(shí)分析得知熱沖擊力最小的莫來(lái)石層厚度為0.2 mm；所以第二部分計(jì)算時(shí)取莫來(lái)石層厚度為0.2 mm，基體材料及尺寸保持不變。圖4是不同ZrO2厚度下涂層表面熱應(yīng)力沿橫向距離的分布曲線。由圖4(a)可知，除0.3 mm之外，其余厚度下涂層的徑向熱應(yīng)力隨橫向距離增加而增大，除最初數(shù)值有所差別之外，其余數(shù)值則相差不大。隨著ZrO2厚度增加，涂層表面最初徑向熱應(yīng)力依次為300.1、338.07和361.94 MPa，而厚度為0.3 mm時(shí)最初熱應(yīng)力為2.1 MPa。由圖4(b)所示的軸向應(yīng)力變化情況也可知，厚度為0.3 mm時(shí)涂層表面軸向應(yīng)力在整個(gè)橫向距離范圍內(nèi)也基本保持穩(wěn)定。而其他3個(gè)涂層厚度下的表面軸向熱應(yīng)力在試樣中心位置為壓應(yīng)力。而且涂層試樣中心處的軸向熱應(yīng)力則隨厚度增加而降低。但在整個(gè)橫向距離范圍內(nèi)，涂層表面軸向應(yīng)力呈現(xiàn)先增加而后趨于穩(wěn)定的態(tài)勢(shì)。在圖4(c)中，ZrO2層厚度為0.15、0.2、0.25 mm的涂層表面剪切應(yīng)力在橫向距離0～2 mm內(nèi)先降低，而后從2～16 mm范圍內(nèi)則逐漸增加，并在試樣邊沿處達(dá)到最大值。當(dāng)ZrO2厚度為0.3 mm時(shí)，涂層表面剪切熱應(yīng)力也基本保持穩(wěn)定，其余3種厚度下涂層表面剪切熱應(yīng)力則與ZrO2層厚度成正比。從0.15～0.25 mm，涂層表面剪切應(yīng)力在靠近邊沿處的值依次為0.86、1.41和1.84 MPa。從不同ZrO2層厚度下涂層表面熱應(yīng)力分析可知，除厚度為0.3 mm的情況之外，ZrO2層厚度為0.15 mm時(shí)的熱應(yīng)力具有最小值。

圖4 ZrO2層厚度對(duì)涂層表面熱應(yīng)力影響(a)徑向應(yīng)力(b)軸向應(yīng)力(c)剪切應(yīng)力Fig.4 Influence of thickness of ZrO2-layer on surface thermal-stress(a)radial stress(b)axial stress(c)shear stress

圖5 ZrO2層厚度對(duì)ZrO2/莫來(lái)石界面處熱應(yīng)力影響(a)徑向應(yīng)力(b)軸向應(yīng)力(c)剪切應(yīng)力Fig.5 Influence of thickness of ZrO2-layer on thermal-stress at interface of ZrO2/mullite(a)radial stress(b)axial stress(c)shear stress

為了進(jìn)一步分析ZrO2層厚度對(duì)涂層系統(tǒng)沖擊熱應(yīng)力的影響，此處同樣分析了ZrO2/莫來(lái)石界面處熱應(yīng)力的分布情況，結(jié)果如圖5所示。由圖5(a)可知，ZrO2厚度為0.3 mm時(shí)該界面處的徑向熱應(yīng)力在整個(gè)橫向距離范圍內(nèi)基本保持穩(wěn)定。其余三種涂層厚度下徑向熱應(yīng)力首先隨著橫向距離增大而增加，當(dāng)橫向距離超過(guò)5 mm后則趨于穩(wěn)定，而且不同厚度下徑向應(yīng)力差別不大。同時(shí)還可以看出，圖5(a)中所示的最大徑向應(yīng)力明顯低于圖4(a)中的對(duì)應(yīng)值。而在圖5(b)所示的軸向應(yīng)力分布曲線中，ZrO2涂層厚度為0.3 mm時(shí)的軸向應(yīng)力也基本穩(wěn)定，其余三種情況下軸向應(yīng)力則在試樣中心處急劇降低后趨于穩(wěn)定，不同ZrO2層厚度下涂層該界面處的軸向應(yīng)力差別不明顯。圖5(c)所示的剪切應(yīng)力中，ZrO2層厚度為0.3 mm時(shí)剪切應(yīng)力基本不受橫向距離范圍影響。而其余三種情況下，在靠近試樣中心處剪切應(yīng)力經(jīng)歷了急劇降低后，接著略微升高，最后趨于穩(wěn)定。從0.15～0.25 mm，圖5(c)中所示的三種情況下界面處的剪切應(yīng)力最小值依次為-18.93、-29.25和-31.1 MPa。由分析結(jié)果可知，ZrO2/莫來(lái)石界面處的熱應(yīng)力在ZrO2厚度為0.3 mm時(shí)基本不受橫向距離的影響，而其余三種情況下熱應(yīng)力的絕對(duì)值則隨ZrO2厚度增加而增大。

從以上分析可知，在表面陶瓷層以及表面層/ZrO2界面處存在較大的沖擊熱應(yīng)力，這些熱應(yīng)力的存在容易在表層、表層/ZrO2界面處產(chǎn)生裂紋，加速涂層的脫落失效。LEE和EPICIER等[14-15]研究表明，莫來(lái)石/YSZ涂層的熱沖擊失效也主要從表面產(chǎn)生裂紋以及莫來(lái)石/YSZ層界面處產(chǎn)生裂紋共同作用的結(jié)果，這也表明本文計(jì)算結(jié)果的正確性。

4 結(jié)論

1)當(dāng)莫來(lái)石層厚度為0.25 mm時(shí)，涂層表面的熱應(yīng)力具有最大值，而其它莫來(lái)石層厚度下涂層表面的熱應(yīng)力則相差不大；

2)莫來(lái)石層厚度為0.25 mm時(shí)，ZrO2/莫來(lái)石界面處的熱應(yīng)力也具有最大絕對(duì)值，其他莫來(lái)石層厚度對(duì)界面處熱應(yīng)力影響不明顯；而且界面處的熱應(yīng)力小于涂層表面；

3)ZrO2層厚度為0.3 mm時(shí)，涂層表面熱應(yīng)力基本不受橫向距離影響，其余厚度下涂層表面熱應(yīng)力絕對(duì)值則與ZrO2層厚度成正比；

4)在ZrO2/莫來(lái)石界面處，ZrO2層厚度為0.3 mm時(shí)的熱應(yīng)力依然在橫向距離范圍內(nèi)保持穩(wěn)定。而其他情況下熱應(yīng)力也隨ZrO2厚度增大而增加。