胡曉蕾 ，郭丹，劉建明，盧曉亮，彭浩然，黃兆暉

(1.礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160 2.北京市工業(yè)部件表面強(qiáng)化與修復(fù)工程技術(shù)研究中心，北京 102206；3.特種涂層材料與技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206；4.北京飛機(jī)維修工程有限公司，北京 100621)

0 引 言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和制造的總體目標(biāo)是大推力、高效率、低油耗，對(duì)此需要提高渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口氣體溫度，減小轉(zhuǎn)子與靜子部件之間的間隙[1]，在發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪外環(huán)制備封嚴(yán)涂層是提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率的有效手段[2-4]。隨著渦輪中燃?xì)鉁囟鹊牟粩嗵岣?1000 ℃以上)，所需的封嚴(yán)涂層既要有優(yōu)異的耐高溫性能又要具有良好的可磨耗性能[5-7]。而金屬基封嚴(yán)涂層耐高溫氧化性差，面臨著燒結(jié)硬化和剝落等嚴(yán)重的問題[8-10]，陶瓷基封嚴(yán)涂層憑借其更高耐熱溫度的優(yōu)勢(shì)成為當(dāng)前先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)方案之一[11-13]。陶瓷相具有高熔點(diǎn)、相穩(wěn)定性、抗氧化、耐腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)，但是這種涂層硬度較高，直接用來做封嚴(yán)涂層會(huì)損傷渦輪葉片[14]。近來研究表明，調(diào)節(jié)涂層的孔隙率可以降低涂層硬度，改善其涂層性能[15,16]。

氧化釔穩(wěn)定氧化鋯(YSZ)陶瓷由于具有低導(dǎo)熱性、低熱膨脹性、高熔點(diǎn)等優(yōu)良的綜合性能[17]，因而成為發(fā)動(dòng)機(jī)常采用的耐高溫封嚴(yán)涂層。近來的一些研究報(bào)道了制備多孔YSZ 涂層的方式，Sulzer Metco[18]公司采用空心氧化鋯陶瓷粉末制備涂層，可使涂層孔隙率提升至30%.但是制造空心粉末的成本較高，并且此技術(shù)為 Sulzer Metco公司的專利技術(shù)，目前沒有大范圍使用。丁坤英等[18]通過聚苯酯造孔填料的方式制備多孔YSZ涂層，在YSZ 噴涂粉末中加入表面包覆 TiO2的聚苯酯材料，通過用等離子噴涂的方法制備多孔YSZ 封嚴(yán)涂層，目前也未廣泛應(yīng)用。

本文采用高能等離子噴涂方法制備多孔YSZ涂層，調(diào)整噴涂工藝參數(shù)（噴涂功率、電流、噴涂距離等）獲得不同的孔隙率的YSZ 涂層，通過對(duì)涂層的顯微結(jié)構(gòu)、硬度、結(jié)合強(qiáng)度、熱震性能進(jìn)行分析和測(cè)試，初步探究了孔隙率對(duì)YSZ 涂層性能的影響。

1 試驗(yàn)過程與方法

1.1 試驗(yàn)材料及涂層制備

實(shí)驗(yàn)選用GH4169 作為基體材料，底層和面層分別選用礦冶科技集團(tuán)有限公司研制MCrAlY粉末和YSZ 粉末。底層的化學(xué)成分及粒度如表1所示，YSZ 粉末的顯微形貌如圖1 所示，為近球狀粉末顆粒，粉末化學(xué)成分如表2 所示。

表1 MCrAlY 粉末化學(xué)成分及粒度Table 1 Chemical composition and particle size of MCrAlY powder

表2 YSZ 粉末化學(xué)成分(wt.%)Table 2 Chemical composition of YSZ powder (wt.%)

圖1 YSZ 粉末的表面形貌Fig.1 Morphology of YSZ powder

將樣品表面經(jīng)丙酮清洗，用850 μm 白剛玉進(jìn)行噴砂粗化處理，形成潔凈的粗糙表面。采用低壓等離子噴涂制備粘結(jié)層(0.1 mm)，噴涂后樣品在真空1050 ℃下2 h 進(jìn)行熱處理，隨后在25 ℃下靜置2 h。采用高能等離子噴涂系統(tǒng)噴涂制備不同厚度YSZ 面層試樣研究其硬度、結(jié)合強(qiáng)度和抗熱震性能。本研究通過調(diào)整噴涂參數(shù)制備不同孔隙率的YSZ 涂層，噴涂參數(shù)如表3 所示。

表3 噴涂工藝參數(shù)Table 3 Technological parameters of thermal spraying

1.2 涂層形貌及性能測(cè)試

顯微組織形貌采用日立公司的HitachiSU-5000 型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察和分析，試樣面層厚度為1.5 mm。涂層孔隙率使用金相法測(cè)定，具體方法為選取同一涂層不同視野的5 張100 倍截面顯微照片，用圖像分析軟件Image J 測(cè)算其孔隙率，求得平均值，即為該涂層的孔隙率。涂層硬度測(cè)量在MODEL600MRD-S 型洛氏硬度儀上按照HB 5486 進(jìn)行，硬度標(biāo)尺為HR15Y，測(cè)試前對(duì)涂層表面進(jìn)行120#砂紙打磨平整。

涂層的結(jié)合強(qiáng)度按照HB5476《熱噴涂涂層結(jié)合強(qiáng)度試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)試，將磨平后的試樣與預(yù)噴砂的對(duì)接件采用 FM-1000 高溫膠片粘結(jié)，在190℃、保溫2h 的條件下固化；在WDW-100A型微機(jī)控制電子式萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行測(cè)試。每組實(shí)驗(yàn)均采取3 個(gè)試樣進(jìn)行測(cè)試，取其平均值作為最終結(jié)果。

涂層的熱震性能實(shí)驗(yàn)依據(jù)HB7269-1996《熱噴涂熱障涂層質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》在KRZ-F01Y 型自動(dòng)熱震試驗(yàn)機(jī)中進(jìn)行。熱震溫度1060 ℃，保溫5 min，去離子水冷卻 2 min，靜置1 min 為1 次循環(huán)，觀察試樣涂層是否脫落，試樣面層厚度為1.5 mm。水冷熱震試驗(yàn)的加熱冷卻循環(huán)曲線見圖2。

圖2 水冷熱震循環(huán)示意圖Fig.2 Schematic diagram of water-cooled thermal shock cycle

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 孔隙率微觀形貌

對(duì)制備的5 組不同孔隙率的多孔YSZ 涂層的微觀形貌進(jìn)行觀察，如圖3 所示。由圖3 可知，不同孔隙率的多孔YSZ 涂層均為一種微孔彌散的組織結(jié)構(gòu)，孔隙分布均勻。通過高倍放大照片發(fā)現(xiàn)，涂層骨架主要由較疏松和較致密的兩種形態(tài)YSZ扁平化組織構(gòu)成，其中較疏松扁平化組織的尺寸為亞微米或納米級(jí)，較致密扁平化組織尺寸在10 μm 以上，較疏松扁平化組織與涂層中的孔洞相伴生。采用金相法測(cè)定涂層孔隙率，測(cè)量計(jì)算得到5 組涂層的孔隙率如表4 所示，涂層的孔隙率分布范圍為14.03%～28.22%。

表4 YSZ 涂層孔隙率Table 3 Porosity of YSZ coating

2.2 涂層硬度

對(duì)不同孔隙率的多孔YSZ 封嚴(yán)涂層的硬度進(jìn)行測(cè)定，如表5 所示，圖4 為多孔YSZ 涂層的硬度隨孔隙率變化的變化曲線，材料的硬度取決于兩個(gè)因素的綜合作用：一是材料的相組成，硬質(zhì)相的增多與彌散分布有利于提高材料的硬度；二是材料的致密性，材料中的孔隙會(huì)顯著影響其硬度[19]。由圖4 看出，在涂層中硬質(zhì)陶瓷相成分基本相同情況下，隨涂層孔隙率增加，多孔YSZ 涂層的硬度先降低后趨于平緩，當(dāng)孔隙率在14.03%～26.04%范圍內(nèi)時(shí)，涂層硬度隨孔隙率增加而明顯降低，當(dāng)涂層孔隙率繼續(xù)增加至28.22%時(shí)，涂層硬度無明顯變化。涂層的硬度與孔隙率之間保持負(fù)相關(guān)關(guān)系，這與上述原理相符。

表5 YSZ 涂層硬度Table 5 Hardness of YSZ coatings

圖4 不同孔隙率的YSZ 涂層硬度變化Fig.4 Hardness variation of YSZ Coating with Different Porosity

2.2 涂層結(jié)合強(qiáng)度

對(duì)不同孔隙率的多孔YSZ 封嚴(yán)涂層的結(jié)合強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果如表6 所示，結(jié)合強(qiáng)度與涂層孔隙率關(guān)系圖如圖5 所示。由表6 及圖5 可得，隨孔隙率增加，多孔YSZ 涂層的結(jié)合強(qiáng)度總體呈下降趨勢(shì)，在孔隙率為26.04%略有增加。這是由于隨著涂層孔隙率的增加，涂層硬度整體呈下降趨勢(shì)，前期研究表明，可磨耗涂層的結(jié)合強(qiáng)度與硬度基本呈正相關(guān)[20]；此外，涂層中彌散的微小孔洞可消除一部分涂層中的殘余應(yīng)力，二者的綜合作用使得涂層的結(jié)合強(qiáng)度隨孔隙率增加總體呈下降趨勢(shì)。

表6 YSZ 涂層結(jié)合強(qiáng)度Table 6 Bond Strength of YSZ Coating

圖5 不同孔隙率的YSZ 涂層結(jié)合強(qiáng)度變化Fig.5 Bonding strength variation of YSZ coating with different porosity

2.3 涂層抗熱震性能

在1060 ℃下對(duì)涂層進(jìn)行抗熱震性研究。涂層抗熱震性結(jié)果如表7 所示，涂層抗熱震循環(huán)次數(shù)隨孔隙率變化如圖6 所示，涂層抗熱震循環(huán)次數(shù)隨孔隙率增加呈現(xiàn)先明顯增加后降低趨勢(shì)。當(dāng)涂層孔隙率為14.03%時(shí)，由于涂層孔隙率較低，在1060 ℃高溫下涂層內(nèi)產(chǎn)生的熱應(yīng)力無法得到及時(shí)釋放，因此當(dāng)涂層僅經(jīng)過水冷熱震4 次循環(huán)就與基體結(jié)合處發(fā)生脫落失效，涂層抗熱震性能差，隨著孔隙率增加(14.03%～26.04%)，涂層在高溫下產(chǎn)生的熱應(yīng)力可通過涂層中的孔隙得到有效釋放，因此涂層抗熱震性能隨著孔隙率增加而逐漸變優(yōu)異，當(dāng)涂層孔隙率為26.04%時(shí)，涂層的抗熱震性能最優(yōu)，可在1060 ℃下464 次水冷熱震循環(huán)后保持涂層完好，無脫落。當(dāng)YSZ 涂層孔隙率過高時(shí)，盡管涂層中熱應(yīng)力通過孔隙得到有效釋放，但此時(shí)涂層的結(jié)合強(qiáng)度較低，不利于涂層在高溫下保持完好無脫落，因此當(dāng)孔隙率繼續(xù)增加到至28.22%時(shí)，YSZ 涂層的抗熱震性能明顯低于孔隙率為26.04%的涂層，涂層在經(jīng)過218 次熱震試驗(yàn)后，發(fā)生脫落失效。

表7 不同孔隙率YSZ 涂層抗熱震性結(jié)果Table 7 Thermal shock resistance results of YSZ coatings with different porosity

圖6 不同孔隙率的YSZ 涂層抗熱震性變化Fig.6 Thermal shock resistance variation of YSZ coating with different porosity

3 結(jié) 論

本文通過調(diào)整噴涂工藝參數(shù)獲得不同孔隙率的多孔YSZ 涂層，研究了涂層孔隙率在14.03%～28.22%之間對(duì)涂層的基本性能影響，得出以下結(jié)論：

(1) 多孔YSZ 涂層為一種微孔彌散型涂層，孔隙均勻分布在骨架組分之間。

(2) 隨孔隙率的增加，涂層的硬度和結(jié)合強(qiáng)度整體呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。

(3) 涂層在1060℃下抗熱震性能隨孔隙率增加呈現(xiàn)先明顯增加后降低的趨勢(shì)，當(dāng)孔隙率為26.04%時(shí)，涂層抗熱震性能最優(yōu)，能夠在464 次水冷熱震循環(huán)后仍保持完好。