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孔隙率对YSZ涂层性能的影响.pdf
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1、第 15 卷 第 1 期 热 喷 涂 技 术 Vol.15,No.12023 年 3 月 Thermal Spray Technology Mar.,2023孔隙率对 YSZ 涂层性能的影响胡晓蕾1,2,3,郭丹1,2,3,刘建明1,2,3,卢晓亮1,2,3,彭浩然1,2,3,黄兆晖4(1.矿冶科技集团有限公司,北京 100160 2.北京市工业部件表面强化与修复工程技术研究中心,北京 102206;3.特种涂层材料与技术北京市重点实验室,北京 102206;4.北京飞机维修工程有限公司,北京 100621)摘要:本文采用高能等离子喷涂方法制备了孔隙率为 14.03%28.22%的多孔 YSZ
2、 涂层,研究了喷涂工艺参数对涂层孔隙率以及涂层基本性能的影响。结果表明:随孔隙率的增加,涂层的硬度和结合强度整体呈现下降的趋势,孔隙率 14.03%时硬度为 92.4 HR15Y,孔隙率 26.04%时硬度降低到 84.2 HR15Y,强度则由 9.62 MPa 降低到 5.03 MPa;涂层在 1060 下抗热震次数呈现先明显增加后降低的趋势,当孔隙率为 26.04%时,涂层在 464 次水冷热震后保持完好,涂层抗热震性能最优。关键词:YSZ 涂层;孔隙率;硬度;结合强度;抗热震性中图分类号:TG174.4 文献标识码:A 文章编号:1674-7127(2023)01-0006-7 DOI
3、10.3969/j.issn.1674-7127.2023.01-006Effect of Porosity on Properties of YSZ CoatingHu Xiaolei1,2,3,Guo Dan1,2,3,Liu Jianming1,2,3,Lu Xiaoliang1,2,3,Peng Haoran1,2,3,Huang Zhaohui4(1.BGRIMM Technology Group,Beijing 100160;2.Beijing Engineering Technology Research Center of Surface Strengthening and R
4、epairing of Industry Parts,Beijing 102206;3.Beijing Key Laboratory of Special Coating Material and Technology,Beijing 102206;4.Aircraft Maintenance&Engineering Corporation,Beijing 100621)Abstract:In this paper,porous YSZ coatings with porosity of 14.03%28.22%were prepared by high-energy plasma spray
5、ing.The effects of spraying process parameters on the porosity and basic properties of coatings were studied.The results showed that the hardness and bonding strength of the coating decreased with the increase of porosity.The hardness was 92.4 HR15Y at porosity of 14.03%,which decreased to 84.2 HR15
6、Y at porosity of 26.04%,and the strength was reduced from 9.62 MPa to 5.03 Mpa.The number of thermal shock resistance of the coating at 1060 showed a trend of first increasing significantly and then decreasing.When the porosity was 26.04%,the coating remained intact after 464 times water-cooled and
7、thermal shocks,and exhibited well thermal shock resistance.Keywords:YSZ coating;Porosity;Hardness;Binding strength;Thermal shock resistance第一作者:胡晓蕾(1992-),女,硕士,工程师,E-mail:。46 热 喷 涂 技 术 15 卷0 引 言航空发动机设计和制造的总体目标是大推力、高效率、低油耗,对此需要提高涡轮发动机进口气体温度,减小转子与静子部件之间的间隙1,在发动机涡轮外环制备封严涂层是提高发动机效率的有效手段2-4。随着涡轮中燃气温度的不断提
8、高(1000 以上),所需的封严涂层既要有优异的耐高温性能又要具有良好的可磨耗性能5-7。而金属基封严涂层耐高温氧化性差,面临着烧结硬化和剥落等严重的问题8-10,陶瓷基封严涂层凭借其更高耐热温度的优势成为当前先进发动机的关键技术方案之一11-13。陶瓷相具有高熔点、相稳定性、抗氧化、耐腐蚀性等优点,但是这种涂层硬度较高,直接用来做封严涂层会损伤涡轮叶片14。近来研究表明,调节涂层的孔隙率可以降低涂层硬度,改善其涂层性能15,16。氧化钇稳定氧化锆(YSZ)陶瓷由于具有低导热性、低热膨胀性、高熔点等优良的综合性能17,因而成为发动机常采用的耐高温封严涂层。近来的一些研究报道了制备多孔 YSZ
9、涂层的方式,Sulzer Metco 18公司采用空心氧化锆陶瓷粉末制备涂层,可使涂层孔隙率提升至 30%但是制造空心粉末的成本较高,并且此技术为 Sulzer Metco 公司的专利技术,目前没有大范围使用。丁坤英等18通过聚苯酯造孔填料的方式制备多孔 YSZ涂层,在 YSZ 喷涂粉末中加入表面包覆 TiO2的聚苯酯材料,通过用等离子喷涂的方法制备多孔YSZ 封严涂层,目前也未广泛应用。本文采用高能等离子喷涂方法制备多孔 YSZ涂层,调整喷涂工艺参数(喷涂功率、电流、喷涂距离等)获得不同的孔隙率的 YSZ 涂层,通过对涂层的显微结构、硬度、结合强度、热震性能进行分析和测试,初步探究了孔隙率对
10、 YSZ 涂层性能的影响。1 试验过程与方法1.1 试验材料及涂层制备实验选用 GH4169 作为基体材料,底层和面层分别选用矿冶科技集团有限公司研制 MCrAlY粉末和 YSZ 粉末。底层的化学成分及粒度如表 1所示,YSZ 粉末的显微形貌如图 1 所示,为近球状粉末颗粒,粉末化学成分如表 2 所示。将样品表面经丙酮清洗,用 850 m 白刚玉进行喷砂粗化处理,形成洁净的粗糙表面。采用低压等离子喷涂制备粘结层(0.1 mm),喷涂后样品在真空 1050 下 2 h 进行热处理,随后在 25 下静置 2 h。采用高能等离子喷涂系统喷涂制备不同厚度 YSZ 面层试样研究其硬度、结合强度和抗热震性
11、能。本研究通过调整喷涂参数制备不同孔隙率的 YSZ 涂层,喷涂参数如表 3 所示。表 1 MCrAlY 粉末化学成分及粒度Table 1 Chemical composition and particle size of MCrAlY powder化学成分(wt.%)粒度(wt.%)NiCoCrAlYTaCNOS+38 m-38 m+5 m-5 mBal.21.7919.98.720.663.680.0120.00520.0420.00207.6592.350100m图 1 YSZ 粉末的表面形貌Fig.1 Morphology of YSZ powder第 1 期 47 表 3 喷涂工艺参数
12、Table 3 Technological parameters of thermal spraying表 2 YSZ 粉末化学成分(wt.%)Table 2 Chemical composition of YSZ powder(wt.%)涂层喷涂方式涂层厚度(mm)Ar 流量(L/min)H2流量(L/min)送粉速率(g/min)功率(kW)喷距(mm)MCrAlY低压等离子喷涂0.110010510121007075380420YSZ高能等离子喷涂1.51.7505512162005060110130ZrO2Y2O3SiO2Al2O3Fe2O3TiO2Na2OK2O92.657.25 0
13、.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.11.2 涂层形貌及性能测试显微组织形貌采用日立公司的 HitachiSU-5000 型扫描电子显微镜(SEM)观察和分析,试样面层厚度为 1.5 mm。涂层孔隙率使用金相法测定,具体方法为选取同一涂层不同视野的 5 张100 倍截面显微照片,用图像分析软件 Image J 测算其孔隙率,求得平均值,即为该涂层的孔隙率。涂层硬度测量在 MODEL600MRD-S 型洛氏硬度仪上按照 HB 5486 进行,硬度标尺为 HR15Y,测试前对涂层表面进行 120#砂纸打磨平整。涂层的结合强度按照 HB5476热喷涂涂层结合强度试验方法进行测试,将磨平后的试样
14、与预喷砂的对接件采用 FM-1000 高温胶片粘结,在 190、保温 2h 的条件下固化;在 WDW-100A型微机控制电子式万能试验机上进行测试。每组实验均采取 3 个试样进行测试,取其平均值作为最终结果。涂层的热震性能实验依据 HB7269-1996热喷涂热障涂层质量检验标准在 KRZ-F01Y 型自动热震试验机中进行。热震温度 1060,保温 5 min,去离子水冷却 2 min,静置 1 min 为 1 次循环,观察试样涂层是否脱落,试样面层厚度为 1.5 mm。水冷热震试验的加热冷却循环曲线见图 2。2 试验结果2.1 孔隙率微观形貌对制备的 5 组不同孔隙率的多孔 YSZ 涂层的微
15、观形貌进行观察,如图 3 所示。由图 3 可知,不同孔隙率的多孔 YSZ 涂层均为一种微孔弥散的组织结构,孔隙分布均匀。通过高倍放大照片发现,涂层骨架主要由较疏松和较致密的两种形态 YSZ图 2 水冷热震循环示意图Fig.2 Schematic diagram of water-cooled thermal shock cycle扁平化组织构成,其中较疏松扁平化组织的尺寸为亚微米或纳米级,较致密扁平化组织尺寸在 10 m 以上,较疏松扁平化组织与涂层中的孔洞相伴生。采用金相法测定涂层孔隙率,测量计算得到5 组涂层的孔隙率如表 4 所示,涂层的孔隙率分布范围为 14.03%28.22%。孔隙率对
16、 YSZ 涂层性能的影响 48 热 喷 涂 技 术 15 卷表 4 YSZ 涂层孔隙率Table 3 Porosity of YSZ coating编号ABCDE孔隙率(%)14.0322.8924.0826.0428.22(a1)(b1)(c1)(a2)(b2)(c2)1mm1mm1mm200m200m200m第 1 期 49 表 5 YSZ 涂层硬度Table 5 Hardness of YSZ coatings序号孔隙率(%)硬度(HR15Y)平均值A14.0395.193.893.395.493.694.2B22.8990.489.692.190.88990.4C24.0883.885
17、.785.484.486.985.2D26.0479.984.081.283.982.982.4E28.2283.483.982.684.181.983.21mm1mm200m200m(d1)(e1)(d2)(e2)图 3 YSZ 涂层截面形貌:(a)14.03%;(b)22.89%;(c)24.08%;(d)26.04%;(e)28.22%Fig.3 Cross-section morphology of YSZ coating:(a)14.03%;(b)22.89%;(c)24.08%;(d)26.04%;(e)28.22%2.2 涂层硬度对不同孔隙率的多孔 YSZ 封严涂层的硬度进行测定
18、,如表 5 所示,图 4 为多孔 YSZ 涂层的硬度随孔隙率变化的变化曲线,材料的硬度取决于两个因素的综合作用:一是材料的相组成,硬质相的增多与弥散分布有利于提高材料的硬度;二是材料的致密性,材料中的孔隙会显著影响其硬度19。由图 4 看出,在涂层中硬质陶瓷相成分基本相同情况下,随涂层孔隙率增加,多孔YSZ 涂层的硬度先降低后趋于平缓,当孔隙率在14.03%26.04%范围内时,涂层硬度随孔隙率增加而明显降低,当涂层孔隙率继续增加至 28.22%时,涂层硬度无明显变化。涂层的硬度与孔隙率之间保持负相关关系,这与上述原理相符。孔隙率对 YSZ 涂层性能的影响 50 热 喷 涂 技 术 15 卷图
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