1引言 等離子噴涂陶......



1 引言
等離子噴涂陶瓷-金屬梯度涂層是應(yīng)航空、航天、兵器等高技術(shù)迅速發(fā)展的需要于近年來(lái)開(kāi)發(fā)出來(lái)的一種新型熱障涂層，其成分(或組元)

沿厚度方向呈梯度化分布，能夠充分緩和因溫度梯度形成的熱應(yīng)力［１－４］。考察梯度涂層的抗熱震性能，研究其熱震失效機(jī)理，對(duì)于優(yōu)化

梯度涂層的成分分布，開(kāi)發(fā)涂層的后處理新工藝，進(jìn)一步提高涂層的抗熱震性能、延長(zhǎng)其使用壽命和擴(kuò)大其應(yīng)用范圍具有重要意義。本文通過(guò)

熱循環(huán)試驗(yàn)探討了鈦合金表面等離子噴涂ZrO２-NiCoCrAIY梯度涂層的抗熱震行為。
2 實(shí)驗(yàn)方法
本文采用大氣等離子噴涂法在5mm厚TC4(Ti-6Al-4V)基體表面制備了兩種成分分布方式的熱障涂層，分別稱(chēng)之為雙層涂層(記為DC)和梯度

涂層(記為GC)，如下表所示。涂層總厚度為1.4mm左右，其中每一層的實(shí)際厚度與設(shè)計(jì)厚度的誤差控制在0.015mm之內(nèi)。DC試樣與GC試樣的厚度

一致，目的是在相同試驗(yàn)條件下具有可比性。
等離子噴涂熱障涂層的組成分布設(shè)計(jì)表
涂層結(jié)構(gòu)
底層 第二層 第三層 第四層 第五層 表面層
成份含量(vol%) 100%N 20%Z+N 40%Z+N 60%Z+N 80%Z+N 100%Z
厚度
(mm) GC 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.4
DC 0.6 - - - - 0.8

圖1 拉伸強(qiáng)度測(cè)試方法示意圖
(a)粘結(jié)強(qiáng)度；(b)內(nèi)聚強(qiáng)度
1-拉伸偶；2-涂層；3-基體
將涂層側(cè)面磨光制備金相試樣，采用光學(xué)顯微鏡觀(guān)察梯度涂層的組織分布狀況。在Instron-1186電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)兩類(lèi)涂層進(jìn)行拉伸試驗(yàn)(試

驗(yàn)方法如圖1所示)，測(cè)定涂層與基體的粘結(jié)強(qiáng)度(圖1a)和涂層的內(nèi)聚強(qiáng)度(圖1b)。試樣直徑為φ17mm，試樣與拉伸偶之間用環(huán)氧樹(shù)脂膠結(jié)。

采用試樣整體加熱、淬水冷卻的熱循環(huán)方式進(jìn)行熱震試驗(yàn)，考察梯度涂層與雙層涂層在不同受熱溫度條件下的熱震行為。將試樣分別于700°C

、900°C、1000°C、1100°C和1200°C保溫20min后取出淬水，如此反復(fù)循環(huán)直至涂層剝落或破壞，記錄熱循環(huán)次數(shù)。涂層試樣尺寸為15×8

×6.4ｍｍ３，采用掃描電鏡(SEM)和能譜儀(ED)研究涂層的熱震失效特征。
3 結(jié)果與分析
3.1 梯度涂層的宏觀(guān)組織特征
圖2為梯度涂層的宏觀(guān)金相組織照片。圖中左部為T(mén)C4基體，涂層中呈白色的組織為NiCoCrAlY，呈灰色的組織是ZrO２。從基體至涂層表面，沿

涂層厚度方向，ZrO２的含量逐漸增多，NiCoCrAlY的含量則逐漸減少，表現(xiàn)出組元成分的連續(xù)梯度化分布。而雙層涂層中因陶瓷表面層與金屬

底層直接結(jié)合，致使在涂層中存在著成分的突變和由此形成的宏觀(guān)界面，如圖3所示。由此可見(jiàn)，成分梯度化分布將涂層間的宏觀(guān)結(jié)合方式轉(zhuǎn)

化成了噴涂粒子間的微觀(guān)結(jié)合方式，并且其微觀(guān)結(jié)合界面彌散分布于各成分區(qū)域之中，從根本上消除了涂層中的成分躍變現(xiàn)象和由此造成的宏

觀(guān)結(jié)合界面。

圖2 ZrO２-ＮｉＣｏＣｒＡｌＹ梯度涂層的截面金組織照片
圖3 ZrO２-ＮｉＣｏＣｒＡｌＹ雙層涂層的金相組織照片
圖4 兩種熱障涂層的拉伸試驗(yàn)結(jié)果
3.2 梯度涂層的結(jié)合強(qiáng)度
涂層的結(jié)合強(qiáng)度包括涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度(即粘結(jié)強(qiáng)度，記作CS)和涂層層間結(jié)合強(qiáng)度(即內(nèi)聚強(qiáng)度，記作AS)，采用拉伸試驗(yàn)對(duì)涂層的兩

種結(jié)合強(qiáng)度進(jìn)行了評(píng)價(jià)，如圖4所示。由圖可見(jiàn)，梯度涂層的兩種結(jié)合強(qiáng)度均高于雙層涂層的強(qiáng)度。內(nèi)聚強(qiáng)度取決于層間粒子的結(jié)合強(qiáng)度，粘

結(jié)強(qiáng)度取決于NiCoCrAlY粒子與TC4基體的結(jié)合狀況，并都受到涂層中殘余應(yīng)力的影響。成分梯度化分布消除了涂層中的宏觀(guān)層間界面，和由此

造成的物理性質(zhì)突變，因此改善了層間粒子結(jié)合狀況，緩和了涂層中的制備應(yīng)力，使涂層的結(jié)合強(qiáng)度得以提高。
兩種涂層的內(nèi)聚強(qiáng)度值均大于粘結(jié)強(qiáng)度值，并且測(cè)定粘結(jié)強(qiáng)度時(shí)，在外加拉應(yīng)力的作用下，兩種涂層的拉伸斷裂位置均處于涂層與基體的

結(jié)合界面，涂層與基體發(fā)生機(jī)械分離，這說(shuō)明NiCoCrAlY底層與鈦合金基體的結(jié)合界面是整個(gè)涂層-基體體系中的最薄弱之處。
3.3 梯度涂層的抗熱震行為
圖5為兩類(lèi)熱障涂層的抗熱震循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果。由圖可見(jiàn)，梯度涂層的抗熱震溫度高于雙層涂層，即雙層涂層在1100°C、1次循環(huán)后失效，

而梯度涂層在1200°C、1次循環(huán)后方才失效；在相同熱震試驗(yàn)溫度下，梯度涂層的抗熱震循環(huán)次數(shù)明顯多于雙層涂層，并且隨試驗(yàn)溫度的降低

，梯度涂層的抗熱震循環(huán)次數(shù)更顯著的增多，尤其在900°C試驗(yàn)時(shí)，梯度涂層經(jīng)歷了近55次熱循環(huán)后方才失效，而雙層涂層僅僅經(jīng)受了大約10

次熱循環(huán)即失效。由此可見(jiàn)，梯度涂層的抗熱震性能優(yōu)于雙層涂層。
涂層的抗熱震性能取決于涂層中熱應(yīng)力的大小和涂層的結(jié)合強(qiáng)度［８］。在熱震試驗(yàn)條件下，由于ZrO２、ＮｉＣｏＣｒＡｌＹ和TC4基體

的熱膨脹系數(shù)不相同，導(dǎo)致在涂層的各部分內(nèi)部形成熱應(yīng)力，并在結(jié)合界面上形成應(yīng)力集中。梯度涂層的成分呈梯度化分布，克服了陶瓷表面

層與金屬底層間的物理性質(zhì)突變現(xiàn)象，緩和了涂層中的熱應(yīng)力及界面應(yīng)力集中，因此其抗熱震性能得以顯著提高［５］。

圖5 兩種熱障涂層的熱震試驗(yàn)結(jié)果
另外，由圖5還可看出，兩類(lèi)涂層的熱循環(huán)次數(shù)隨著試驗(yàn)溫度的變化趨勢(shì)不同，隨著試驗(yàn)溫度的升高，雙層涂層的循環(huán)次數(shù)基本上呈線(xiàn)性降低
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，而梯度涂層的循環(huán)次數(shù)則呈非線(xiàn)性變化。這種變化趨勢(shì)可能與涂層的熱震失效方式隨溫度的變化有關(guān)。在900-1100°C的試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，

雙層涂層的失效方式未發(fā)生變化，均表現(xiàn)為涂層整體自基體表面剝落，斷面較為平整，表明涂層與基體為機(jī)械分離。梯度涂層的失效方式則隨

試驗(yàn)溫度的改變而變化，在1100°C和1200°C試驗(yàn)時(shí)，梯度涂層整體自基體表面剝落，剝離面平整，表現(xiàn)為涂層與基體的機(jī)械式分離；在1000

°C試驗(yàn)時(shí)，梯度涂層也自基體表面剝落，但其剝離面凹凸不平，表現(xiàn)為部分區(qū)域發(fā)生涂層與基體機(jī)械分離，而另一部分區(qū)域則以撕裂基體表

面層的方式發(fā)生剝離；在900°C試驗(yàn)時(shí)，其失效方式發(fā)生了較大的改變，表現(xiàn)為涂層的縱向斷裂和一部分涂層自基體表面剝落，如圖6所示。

梯度涂層的失效方式隨試驗(yàn)溫度的改變而發(fā)生變化的現(xiàn)象反映出涂層在經(jīng)受不同程度的熱沖擊應(yīng)力的作用時(shí)，其失效行為有所不同。
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