杜 仲，霍 威，趙 帥，張保紅，林冰濤，張有茶

（1. 安泰科技股份有限公司，北京 100081；2. 安泰天龍（北京）鎢鉬科技有限公司，北京 100094；3. 湖北三江航天紅陽機(jī)電有限公司，湖北 孝感 432000）

熱障涂層是一種應(yīng)用于高溫環(huán)境的涂層系統(tǒng)，可以提供有效隔熱作用，降低金屬基體的工作溫度，提升設(shè)備的工作性能和效率，在飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)的熱端部件中得到廣泛使用[1-2]，是飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)之一。熱障涂層常采用等離子噴涂法制備，該工藝采用等離子體焰流作為熱源，其焰流溫度超過10 000 K，速度超過150 m/s，粉末材料被載氣送入等離子焰流，被加速并加熱至熔融狀態(tài)，撞擊到金屬基材后，通過粉末的鋪展堆疊并最終形成涂層，等離子噴涂工藝具有溫度高、適用性廣、沉積速度快的特征[3]。

熱障涂層一般為雙層結(jié)構(gòu)，包含黏結(jié)層和隔熱層，黏結(jié)層一般為MCrAlY（M為Ni，Co或NiCo），用于提高涂層結(jié)合強(qiáng)度、提高金屬基體抗氧化性能、以及緩解陶瓷層和金屬基體的熱膨脹不匹配問題，隔熱層一般為氧化物陶瓷，主要起隔熱作用。氧化釔穩(wěn)定氧化鋯（YSZ）是應(yīng)用最廣的隔熱層材料，具有熱導(dǎo)率低、抗熱震性能突出等優(yōu)異的綜合性能。

經(jīng)過多年的研究和發(fā)展，科研人員對(duì)噴涂粉末的性能進(jìn)行了充分的研究，發(fā)現(xiàn)粉末成分[4]、粒度分布[5-6]、流動(dòng)性[7]、松裝密度[8]、制備工藝[9-10]等因素對(duì)涂層性能有顯著的影響。涂層工程化應(yīng)用過程中對(duì) YSZ粉末上述相關(guān)性能提出了細(xì)致的指標(biāo)要求，但相同工藝方法制備的YSZ粉末性能狀態(tài)相近的情況下，工藝適配性往往存在差異，甚至性能相近的YSZ粉末制備出的涂層性能出現(xiàn)差別極大的情況，對(duì)涂層性能的穩(wěn)定性有非常大的影響。

丁坤英等[11]通過WC-10Co4Cr噴涂粉末噴涂試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：粉末的致密程度越低，在噴涂過程中受熱越充分，涂層孔隙率越低；祝弘濱[12]通過工藝調(diào)整獲得了不同致密度的TiB2-M復(fù)合噴涂粉末，在后續(xù)的噴涂過程中發(fā)現(xiàn)，采用致密度高的粉末可獲得更致密的涂層。二者均采用掃描電鏡對(duì)粉末致密度進(jìn)行觀察，采用松裝密度指標(biāo)對(duì)粉末致密度進(jìn)行對(duì)比，但得到了相反的結(jié)果。粉末的松裝密度是致密度和粒度分布的共同作用，準(zhǔn)確、定量的測定粉末致密度，是噴涂技術(shù)研究的一個(gè)難題。

本文選用了三種造粒燒結(jié)制備的常規(guī)性能相近的YSZ粉末，采用壓汞法定量測試并對(duì)比了粉末的致密度差異，研究其對(duì)粉末熔融過程的影響，并考核其對(duì)涂層最終服役性能的影響，為粉末的制備和涂層性能控制提供指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選用TA15鈦合金（Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V）為基體材料制備了涂層結(jié)合強(qiáng)度試樣和金相試樣，結(jié)合強(qiáng)度試樣尺寸為直徑25 mm×2 mm，金相試樣尺寸為20 mm×10 mm×2 mm；選用球磨鑄鐵材料制備了斷口試樣，斷口試樣尺寸為30 mm×15 mm×5 mm，試樣表面預(yù)制了一個(gè)深度為4 mm的V型缺口。

黏結(jié)層材料選用Ni-25Cr-5Al-0.5Y合金粉末，粒徑分布范圍為20～106 μm；隔熱層材料選用三種不同的YSZ商用粉末，下文以粉末A、粉末B和粉末C分別進(jìn)行指代。

1.2 涂層試樣制備

采用丙酮清洗試樣，去除基體表面油脂，并使用 24目白剛玉砂對(duì)試樣表面進(jìn)行噴砂粗化處理。采用等離子噴涂工藝制備黏結(jié)層和隔熱層，噴涂系統(tǒng)為 7700型等離子噴涂系統(tǒng)，主氣為氬氣，次氣為氦氣。黏結(jié)層NiCrAlY層厚度為0.1 mm，隔熱層YSZ層涂層厚度為0.5 mm。黏結(jié)層和隔熱層的等離子噴涂工藝參數(shù)如表1所示。為了對(duì)比粉末的熔融過程及機(jī)理，設(shè)置了2種不同的隔熱層等離子噴涂工藝參數(shù)，其中工藝參數(shù)1為低功率狀態(tài)，工藝參數(shù)2為高功率狀態(tài)。

表1 等離子噴涂工藝參數(shù)Tab.1 The parameters of plasma spray process

1.3 涂層性能測試

使用AutoPore IV 9500壓汞儀（美國麥克儀器公司）測試了YSZ粉末的致密度，測試方法為國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 21650—2008中的壓汞法。采用GX51型光學(xué)金相顯微鏡（Olympus，日本）觀察涂層截面組織，利用Image J分析軟件分析測試涂層孔隙率，采用JSM-6380LV型掃描電鏡(SEM)（JEOL，日本）觀察涂層的斷口形貌。采用國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 8642—2002的方法測試了涂層的結(jié)合強(qiáng)度，拉伸試驗(yàn)機(jī)型號(hào)為CMT5205（MTS，美國），加載速度為1 mm/min。采用電弧風(fēng)洞法考核了涂層試件在模擬工況下的服役性能，重點(diǎn)考核涂層能否保持完整，且保護(hù)基體不超溫變形。測試過程中的模擬工況分多個(gè)階段，其中涂層表面的最高溫度約為950 ℃。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 YSZ粉末性能

圖1 粉末的表面形貌和粒度分布范圍Fig.1 The morphology and size distribution of YSZ powders

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圖3 三種YSZ涂層截面金相組織Fig.3 The cross section morphology of three YSZ coatings

低功率狀態(tài)的涂層A、涂層B和涂層C的孔隙率分別為6.9 %，9.7 %和9.7 %，高功率狀態(tài)的孔隙率分別為6.4 %、8.8 %和9.0 %。涂層A的孔隙率始終低于涂層B和涂層C，且隨著功率的提高，涂層的孔隙率有所降低。

涂層結(jié)合強(qiáng)度的測試結(jié)果如圖4所示。由圖4可見，涂層A的結(jié)合強(qiáng)度均高于同等功率條件下的涂層B和涂層C，隨著噴涂功率的提高，涂層的結(jié)合強(qiáng)度得到提高。

圖4 三種涂層的結(jié)合強(qiáng)度Fig. 4 Tensile bond strength of three coatings

兩種功率條件下三種 YSZ粉末涂層的斷口形貌如圖5所示。三種YSZ涂層的斷口組織具有層片堆疊的特征，層片內(nèi)為柱狀晶，層片間存在一些孔洞和微裂紋，符合等離子噴涂的涂層組織特征。此外涂層B和涂層C中都存在團(tuán)簇狀的納米尺度粉末顆粒，和YSZ粉末的原始組織類似，是未完全熔融的YSZ粉末。隨著功率的提高，未熔粉末的含量顯著降低，但未完全消失。粉末A涂層的斷口組織中未觀察到未熔粉末現(xiàn)象。結(jié)合截面金相和斷口形貌結(jié)果分析，截面金相形貌中發(fā)現(xiàn)的疏松組織，應(yīng)為斷口形貌組織中的未熔粉末。

圖5 YSZ涂層斷口形貌Fig.5 Fracture morphology of YSZ coatings

采用三種粉末制備了相同形狀的試驗(yàn)件，粉末A選用噴涂參數(shù)1，粉末B和粉末C選用噴涂參數(shù)2，試驗(yàn)件的涂層結(jié)合強(qiáng)度大于20 MPa，涂層孔隙率相近。對(duì)三種YSZ涂層試驗(yàn)件進(jìn)行了相同工況的模擬考核，考核前后的工件形貌如圖6所示?？己撕?，三種涂層試件均保持完整，未發(fā)生剝落、裂紋、起皮等現(xiàn)象，基體未發(fā)生變形。通過工藝調(diào)整，三種涂層均能提供滿足試驗(yàn)件所需要的熱防護(hù)作用。

圖6 模擬工況考核前后YSZ涂層形貌Fig.6 Morphology of three YSZ coatings before and after simulated condition testing

2.3 性能分析討論

等離子噴涂涂層形成過程可以分為兩個(gè)步驟，首先粉末在等離子焰流中加熱至熔融或半熔融狀態(tài)，隨后熔融顆粒沖擊試樣表面，發(fā)生鋪展形成薄片，并逐漸堆疊。粉末在焰流中的熔融狀態(tài)決定了后續(xù)的鋪展?fàn)顟B(tài)，熔融狀態(tài)越好的粉末越容易鋪展，顆粒間的孔隙少且小，孔隙易被填充，涂層的孔隙少，薄片間的結(jié)合強(qiáng)度更高。熔融狀態(tài)不好的粉末則鋪展過程不充分，顆粒的原始組織可能被繼承到涂層中，顆粒間容易形成大孔隙，且不容易被填充，導(dǎo)致涂層的孔隙率高，并且結(jié)合強(qiáng)度低。

三種YSZ粉末具有相當(dāng)?shù)某煞?、流?dòng)性、松裝密度和粒度分布，在相同工藝條件下，單位時(shí)間內(nèi)送到等離子焰流中的粉末總量是一樣的，且粉末受等離子焰流中的加熱效果是相當(dāng)?shù)?。三種YSZ涂層的孔隙率和結(jié)合強(qiáng)度存在顯著差異，主要是因?yàn)榉勰┑娜廴跔顟B(tài)存在差別。

粉末性能和涂層性能的關(guān)系如圖7所示，粉末的致密度對(duì)涂層的孔隙率和結(jié)合強(qiáng)度有顯著的影響，隨著粉末孔隙含量的增加，涂層孔隙率增加，結(jié)合強(qiáng)度下降，兩種功率條件下涂層的性能具有相同的趨勢。

圖7 涂層性能和粉末微孔含量的關(guān)系Fig.7 The relationship between coating properties and micropore content of YSZ powder

三種YSZ粉末孔隙含量有明顯差別，因孔隙的熱導(dǎo)率更低，孔隙含量更高的粉末熱導(dǎo)率更低[15]。粉末A的內(nèi)部致密，熱導(dǎo)率較高，在相同工藝條件下粉末更容易熔融，也更容易鋪展，因此涂層A的孔隙尺寸小，且孔隙率更低，同時(shí)結(jié)合強(qiáng)度更高。粉末B和粉末C內(nèi)部含有較多孔隙，熱導(dǎo)率較低，粉末熔融狀態(tài)相對(duì)較差，部分熔融狀態(tài)不足的粉末不能充分鋪展，導(dǎo)致涂層中出現(xiàn)了具有原始納米組織的粉末顆粒，涂層B和涂層C中形成了較大的孔隙，且孔隙率更高，同時(shí)結(jié)合強(qiáng)度更低。

等離子噴涂功率的提升和參數(shù)的調(diào)整，增加了粉末熔融過程的總能量，并改變了焰流對(duì)粉末熔融過程的加熱加速作用，提升了粉末的熔融狀態(tài)，進(jìn)而降低了涂層的孔隙率，提高了涂層的結(jié)合強(qiáng)度。

3 結(jié) 論

（1）粉末的致密度對(duì)涂層的性能有顯著影響，隨著粉末致密度降低，粉末的熱導(dǎo)率下降，導(dǎo)致等離子噴涂過程中粉末熔融狀態(tài)變差，進(jìn)而影響涂層性能。相同噴涂功率條件下，粉末致密度的降低導(dǎo)致涂層孔隙率升高，結(jié)合強(qiáng)度下降。

（2）致密度低的YSZ粉末因熔融程度差會(huì)在涂層中殘留部分未熔顆粒，未熔顆粒保留了YSZ粉末的納米顆粒形態(tài)，在涂層截面金相組織中表現(xiàn)為疏松組織，疏松組織提高了涂層孔隙率，降低了涂層內(nèi)部結(jié)合強(qiáng)度。

（3）通過工藝調(diào)整可改善粉末熔融狀態(tài)進(jìn)而控制涂層性能。增大噴涂功率可改善低致密度粉末的熔融狀態(tài)，進(jìn)而降低涂層孔隙率，提高涂層的結(jié)合強(qiáng)度。結(jié)合強(qiáng)度和孔隙率相近的涂層可提供相近的隔熱防護(hù)性能，制備的涂層試驗(yàn)件均可通過服役性能考核。