曾圣聰，金 燦，高培虎，李曉航，楊 忠

(1.西安工業(yè)大學(xué) 材料與化工學(xué)院，西安 710021；2.陸軍駐西安地區(qū)某部，西安 710032)

熱障涂層廣泛應(yīng)用于先進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)的熱端部件，以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的效率和穩(wěn)定性[1-3]。氧化鋯因其低熱導(dǎo)率而常被用作熱障涂層材料。而氧化鋯在高于950 ℃的溫度下會(huì)發(fā)生相變，導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力增加，體積膨脹。從高的使用溫度冷卻到室溫后，氧化鋯涂層會(huì)形成較高的拉應(yīng)力，經(jīng)過多次高溫冷卻循環(huán)后，積累的內(nèi)部拉應(yīng)力將超過氧化鋯的強(qiáng)度，最終涂層形成裂紋導(dǎo)致失效。因此通過在氧化鋯中摻雜穩(wěn)定劑的方式，如Y2O3、MgO、CeO2和CaO可以防止氧化鋯在高溫下發(fā)生相變[4-5]。Y2O3是目前應(yīng)用最廣泛的穩(wěn)定劑，常使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%～12%的Y2O3作為穩(wěn)定劑[6-9]，特別是添加8 mol的Y2O3所制備的YSZ(8YSZ)具有穩(wěn)定的立方結(jié)構(gòu)。同時(shí)，8YSZ在1 000 ℃時(shí)的熱導(dǎo)率為2.3 W·m-1·k-1[10-13]。而常用熱障涂層制備方法有電子束物理氣相沉積(EB-PVD)和等離子噴涂(APS)。等離子噴涂制備的8YSZ熱障涂層，擁有比塊體8YSZ低得多的熱導(dǎo)率，可起到很好的隔熱效果，主要是因?yàn)榈入x子噴涂涂層具有典型的層狀結(jié)構(gòu)特征，在沉積的粉末之間有許多未結(jié)合區(qū)，有利于熱障涂層獲得更低的熱導(dǎo)率、更好的隔熱效果[14-15]。因此，為了進(jìn)一步降低熱障涂層的熱導(dǎo)率，可以通過額外添加造孔劑進(jìn)一步提高孔隙含量，如聚丙烯(PP)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、高密度聚乙烯(HDPE)等可在熱障涂層中引入微米和幾十微米的較大尺寸封閉孔隙[16]。文獻(xiàn)[17]使用具有納米核殼結(jié)構(gòu)的YSZ中空球形粉末，通過大氣等離子噴涂制備了具有納米和微米尺度的熱障涂層。 文獻(xiàn)[18]使用聚酯粉末在熱障涂層中形成了數(shù)十微米尺度的大孔隙，其孔隙率約為40%，在1 100 ℃時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)非常低，約為0.3 W·m-1·k-1。因此，在熱障涂層中引入封閉的孔隙將有利于降低涂層的熱導(dǎo)率，提高涂層的隔熱性能。然而，陶瓷在燒結(jié)過程中氣孔會(huì)逐漸愈合。此外，在熱障涂層中，使用溫度變得越來越高，當(dāng)接近燒結(jié)溫度時(shí)納米尺寸的孔隙會(huì)使材料的燒結(jié)活性變強(qiáng)，納米級(jí)小尺寸孔隙會(huì)因?yàn)闊Y(jié)而消失，導(dǎo)致涂層的熱導(dǎo)率會(huì)增加[19-20]。

因此，在納米和微米尺度上研究具有多尺度孔隙結(jié)構(gòu)的熱障涂層在高溫下長(zhǎng)期服役后熱導(dǎo)率的演變機(jī)制有利于解決涂層服役后熱導(dǎo)率升高的問題，提高涂層的隔熱性能。本文擬構(gòu)建具有微米和納米級(jí)多尺度孔隙結(jié)構(gòu)的熱障涂層，模擬涂層在1 100 ℃下高溫服役不同時(shí)間后，涂層導(dǎo)熱能力的變化，探究了具有微納米多尺度孔隙結(jié)構(gòu)熱障涂層在1 100 ℃下長(zhǎng)期服役后熱導(dǎo)率的演變機(jī)制，為熱障涂層的孔隙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)調(diào)整以及涂層的穩(wěn)定化研究提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 建立模型

根據(jù)熱障涂層的實(shí)際結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了由基體、粘結(jié)層和陶瓷層3部分組成的模型，模型基體的直徑為12.6 mm，厚度為2.6 mm；粘結(jié)層和陶瓷層的直徑為12.6 mm，厚度分別為0.1 mm和0.2 mm。圖1為熱障涂層掃描顯微結(jié)構(gòu)以及實(shí)際熱導(dǎo)率測(cè)試試樣。為方便模擬，假設(shè)孔隙為球形，孔徑分別設(shè)置為0.3 μm、3 μm和30 μm，三種尺寸的孔隙呈現(xiàn)層狀分布，孔隙個(gè)數(shù)分別設(shè)置為1000、500和100。通過式(1)可以計(jì)算得到涂層的孔隙率為5%。通過調(diào)整不同尺寸孔隙的數(shù)量將孔隙率調(diào)整為5%、10%、15%和20%,模型如圖2所示。利用HYPERMESH軟件對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，基體和粘結(jié)層選擇四邊形網(wǎng)格劃分、陶瓷層采用的三角形網(wǎng)格劃分，全局尺寸為1， 模型網(wǎng)格劃分如圖3所示?？紫堵视?jì)算公式為

圖3 模型網(wǎng)格劃分

(1)

式中:P為孔隙率;r為涂層半徑;h為涂層厚度;r1、r2、r3分別為三種球形孔隙的半徑;N1、N2、N3分別為三種孔隙個(gè)數(shù)。

1.2 材料參數(shù)及邊界條件

根據(jù)實(shí)際工況，模擬服役溫度為1 100 ℃，設(shè)置的邊界條件為：將涂層頂端設(shè)置為熱源高溫區(qū)域，溫度為1 100 ℃；基體底部為冷端，溫度設(shè)置為25 ℃，通過熱端和冷端(基體)熱流的溫度差，模擬熱障涂層的熱傳導(dǎo)過程，通過Ansys軟件模擬結(jié)果，可以計(jì)算出構(gòu)建的多尺度孔隙結(jié)構(gòu)熱障涂層的等效熱導(dǎo)率[21-22]，等效熱導(dǎo)率的計(jì)算公式為

(2)

式中:q為熱通量;d為熱傳導(dǎo)總距離;ΔT為溫度變化;J為熱流。

為模擬長(zhǎng)時(shí)間的高溫服役環(huán)境，在邊界條件溫度設(shè)置好以后，將Analysis settings中的時(shí)間修改為1 d、10 d、20 d、30 d、45 d、60 d、90 d。這樣可以得到不同時(shí)間下高溫服役的模型熱傳導(dǎo)過程以及其熱導(dǎo)率。

材料參數(shù)設(shè)定見表1，(a)為陶瓷層材料的參數(shù)設(shè)置、(b)為粘結(jié)層材料參數(shù)設(shè)置、(c)為基體材料參數(shù)設(shè)置、(d)為孔隙材料參數(shù)設(shè)置，基體和粘結(jié)層的熱傳導(dǎo)系數(shù)設(shè)置為14.7 W·m-1·k-1、陶瓷層熱傳導(dǎo)系數(shù)為2.3 W·m-1·k-1、孔隙熱傳導(dǎo)系數(shù)設(shè)置為0.025 7 W·m-1·k-1(近似于空氣)。

表1 材料參數(shù)

2 結(jié)果與分析

2.1 溫度及熱通量分布

溫度設(shè)置為25 ℃、25～200 ℃、25～600 ℃、25～1 000 ℃、25～1 100 ℃。陶瓷層8YSZ材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)選擇2.3 W·m-1·k-1，孔隙的熱傳導(dǎo)系數(shù)選擇0.025 7 W·m-1·k-1。圖4為涂層在1 000 ℃時(shí)的溫度分布云圖。

圖4 溫度分布云圖

從圖4中可以發(fā)現(xiàn),模型的熱傳遞呈現(xiàn)一個(gè)梯度分布的狀態(tài)，當(dāng)零件承受1 000 ℃的高溫時(shí)，陶瓷層的溫度最高(達(dá)到891.67 ℃)，粘結(jié)層次之(達(dá)到566.67 ℃)，基體溫度最低(為133.33 ℃)，這說明陶瓷層在高溫下服役時(shí)對(duì)基體起到了良好的保護(hù)作用。圖5是涂層在1 000 ℃時(shí)的熱通量分布云圖，從圖5中可以發(fā)現(xiàn),涂層外圍傳熱一致且涂層的熱通量大致為2.591 1×106W·m-2，在整個(gè)陶瓷層的傳熱過程中，孔隙的傳熱較低，熱通量為7.301×105W·m-2，而其他位置傳熱基本一致，這說明孔隙的存在降低了涂層的傳熱，提高了涂層的隔熱效果。

圖5 熱通量分布云圖

2.2 熱導(dǎo)率演變機(jī)制

圖6是在不同溫度下、具有不同孔隙率的熱障涂層中陶瓷層的等效熱導(dǎo)率。從圖6中可以發(fā)現(xiàn),熱障涂層的熱導(dǎo)率隨著溫度的升高而降低。同時(shí)，熱障涂層的熱導(dǎo)率隨著孔隙率的增加而降低。說明孔隙的存在降低了熱障涂層的導(dǎo)熱系數(shù)，提高了熱障涂層的隔熱效果。

圖7是具有不同孔隙率的熱障涂層在1 100 ℃下服役不同時(shí)間后1 100 ℃時(shí)的熱導(dǎo)率。從圖7中可以發(fā)現(xiàn),熱障涂層的熱導(dǎo)率隨著服役時(shí)間的增加而增加，這是因?yàn)殡S著使用時(shí)間的延長(zhǎng)，沉積在的熱障涂層邊界顆粒之間的納米級(jí)小尺寸孔隙的一部分將消失。而當(dāng)服役時(shí)間到達(dá)60 d后，熱障涂層的熱導(dǎo)率趨于穩(wěn)定，這是因?yàn)橥繉又形⒚缀蛶资⒚椎拇罂撞粫?huì)消失，因?yàn)闊嵴贤繉宇w粒之間的擴(kuò)散無法穿透微孔尤其是幾十微米的大孔。因此，在1 100 ℃下服役約60 d后，多尺度孔隙結(jié)構(gòu)熱障涂層的熱導(dǎo)率趨于穩(wěn)定，趨近于塊材的熱導(dǎo)率。此時(shí)，隨著服役時(shí)間的進(jìn)一步延長(zhǎng)，多尺度孔隙結(jié)構(gòu)熱障涂層的熱導(dǎo)率將趨于穩(wěn)定，不再變化，最終保證燃?xì)廨啓C(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。

圖7 不同孔隙率熱障涂層服役前后熱導(dǎo)率演變曲線

3 結(jié) 論

1) 利用Ansys有限元仿真軟件進(jìn)行模擬，研究了具有多尺度孔隙結(jié)構(gòu)的熱障涂層在1 100 ℃下長(zhǎng)期服役導(dǎo)熱特性，探究其演變機(jī)制，為熱障涂層的孔隙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)調(diào)整以及涂層的穩(wěn)定化研究提供理論依據(jù)。

2) 多尺度孔隙結(jié)構(gòu)熱障涂層的熱導(dǎo)率隨著溫度的升高而下降，隨著孔隙率的升高而下降，隨著服役時(shí)間的增加而增加。未服役熱障涂層在孔隙率為5%、10%、15%、20%時(shí)的熱導(dǎo)率分別為2.04、1.98、1.94、1.88 W·m-1·k-1，當(dāng)服役時(shí)間到達(dá)60 d后涂層熱導(dǎo)率升高至2.29、2.27、2.26、2.24 W·m-1·k-1，涂層熱導(dǎo)率趨于穩(wěn)定，接近于塊材的熱導(dǎo)率。