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中文翻译陶瓷厚度对铝合金等离子喷涂热障涂层残余应力的和粘结强度的影响摘要： NiCoCrAlY8wt%Y2O3涂层是铝合金等离子喷涂用来研究陶瓷厚度对残余应力和结合强度影响。 提出了一种新的基于Stoney方程和基体去除技术的应力计算方法and substrate-removal technique was proposed.。在粘结层的应力和陶瓷的研究中，随着increase of ceramic thickness, the residual stress in both layers was firstly compressive then turned tensile.陶瓷厚度的增加，这两层中的残余应力进行压缩然后拉伸。当陶瓷薄时，基板较大热的膨胀系数为残余应力的形成发挥了重要作用when the ceramic was thin.。然而，陶瓷coating turned thicker.涂层变厚时，内在的沉积应力占优势。接合强度降低，并且断裂面的朝陶瓷表面移动。所述表面的移动，主要是起因于应力梯度的变化和陶瓷界面附近高孔带较弱。1、引言 热障涂层通常应用于制造飞机和电站涡轮发动机的镍基高温合金，提高发动机的效率通常要求更高的入口燃料气体温度。因此，有必要发展不超过金属the melting temperature of superalloys by this technology熔化温度的高温合金的技术。传统的TBC系统由金属粘合涂层（MCrAlYX中，M=镍/钴，X=硅，铪，钽）和8YSZ的陶瓷面漆（氧化锆稳定化的具有8（重量）组成 热障涂层通常是通过电子束物理气相沉积或相对低成本的等离子喷涂制备。在热喷涂层-基板体系的制备过程中，残余应力的产生可能是由于在基体和涂层之间的热膨胀失配，喷涂层的快速收缩和可能的相变。此外，the residual stresses may have strong influence on the mechanical残余应力可能对涂料的机械性能有强烈影响，如抗剥落、疲劳寿命和粘接强度。 随着铝合金的应用，轿车发动机缸体可减少高达50%的重量，也有对热障涂层在柴油机高隔热部件上的类似应用研究，尤其是对活塞和缸盖表面。TBC系统还可以提高铝合金的耐磨性和耐腐蚀性，特别是在更高的温度。不幸的是，铝合金的热膨胀系数（CTE）比陶瓷和高温合金高很多and superalloys.。此外，在发动机中逐渐使用较厚的陶瓷涂层（ 500微米），以获得更好的较低温度的热绝缘基体。因此，铝合金涂层内部的残余应力与在高温合金中完全不同。在一些关于陶瓷涂层参数的报告中，如厚度和孔隙率，可以很明显的影响它的机械性能。因此，研究残余应力及其与加工条件的变化是必要的，以实现涂层在实际应用中的优化。 在这项研究中，陶瓷涂层沉积在不同厚度的铝合金中，而粘结涂层的厚度保持不变，提出了在粘结层和陶瓷的残余应力的计算方法。对残余应力的形成和分布受铝合金和陶瓷层厚度的影响进行了研究，对残余应力和粘结强度之间的关系and bonding strength was also discussed.进行了讨论。2、实验细节2.1、材料和涂层的沉积 铝合金5A06（按照GB/ T3190-2008）用作基材，8YSZ的粉末204NS是从苏尔寿美科购买的，粉末NiCoCrAlY是从北京矿冶研究总院购买。粘结涂层和基板的组合物与以往研究相同。基材和涂层的一些热物理性质列于表1。表 1 双面涂层沉积在具有尺寸为50406 mm3 (thickness of 6mm) to prepare samples for residual50 40 6 mm3（厚度6mm）的基板进行制备样品的残余stress test.应力测试。圆盘状基板（直径为12毫米，厚度为6毫米）被用来测试沉积涂层的结合强度。基板用30目金刚砂喷砂来除去氧化膜，使沉积前粗糙。粘结涂层（NiCoCrAly，厚度约100微米）和陶瓷面漆（8YSZ）通过使用喷雾单元大气等离子喷涂（F4喷枪，苏尔寿美科）用Ar-作为载气沉积。标称厚度分别为100微米，250微米，500微米，750微米和1000微米的陶瓷面漆。此外，单层粘结涂层和100微米厚的陶瓷都直接沉积在基板上，来进行残余应力计算。喷涂参数列于表2中。对于在沉积期间施加于基板上的涂覆，除了在自然空气的室温下冷却没有别的技术。为了冷却基板，该喷涂过程中每沉积250微米的陶瓷后暂停5分钟。在基板最高温度为330 C 时的沉积过程中，该过程是通过一个基板背面为K型钻孔的热电偶。2.2。测试方法陶瓷的实际厚度是由一个电磁测量厚度计（MINITEST600，ElektroPhysik）测量10次。用手持仪（TR200，时代集团公司）测定它们沉积涂层的表面粗糙度for 30 times with a handheld roughmeter (TR200, Time Group Inc.).30次。用金相显微镜（u-remps2，奥林巴斯）测定陶瓷涂层的孔隙率(U-REMPS2, Olympus).。环境扫描电子显微镜(SEM, XL-30 FEG, FEI) was applied for the microstructure evaluation.（SEM，XL-30 FEG，FEI）用于组织评价。维氏硬度测量（fm-700，未来科技）是performed on the polished cross section of the coatingsubstrate system.对涂层基体抛光截面进行测量。陶瓷和bond coat, 50 g on ceramic-bond coat interface and 25 g on the substrate.粘结层的压痕负载为100克，将50g在陶瓷粘结涂层界面，25克在基体上，停留时间为15秒。为了获得更可靠的值，对于每一个结果进行10points were tested for each result.次测试。为了提高结果的准确性，选平滑区域进行测试，模糊的界限忽略不计。残余应力是根据以化学底物去除为方法的无支撑涂层变形来计算的。当条件满足方程时，基于基板涂层系统的经典斯托尼方程曲率评价substrate system was also applied as a supplement to this，也被应用于作为这一方法的补充。将样品通过一个低速锯（ISOMET，Beuhler）切成尺寸约为5036立方毫米的长条带，然后双面涂层在几分钟之内从该热浓NaOH溶液基体通过剥离。此外，该层的NiCoCrAly几乎在几小时内就可以溶解在盐酸中。 表2 只有少量不溶粉末（硅，钽，等等）被留在陶瓷，但可以通过超声波脱离。双面涂层剥离的示意图，如图 1a所示。自由涂层的尺寸是由游标卡尺测量三次，以获得平均结果。应用基于ISO 4624：2002的拉伸速率为2毫米/分钟的Instron材料试验机（型号1121），通过拔出试验（见图1b），对双面涂层的结合强度进行了检查。试验用胶粘剂环氧胶粘剂（adbest，E-7型）是在上海合成树脂研究所生产的。该粘合剂在120条件下保持3小时固化。为减少随机误差的影响，该粘合强度均从一式五份的试验中获得。 图 1pull-off test (see Fig. 1b) by Instron materials tester (Model 1121)based on ISO 4624: 2002 with a stretching rate of 2 mm/min 表 33,结果与讨论3.1,涂层的微观结构和应力的形成 实际的陶瓷厚度如表3所示。该沉积涂层横截面是用1000微米厚度的陶瓷，如图2（a-d）。毛孔明显分布在通过等离子喷涂法制备的陶瓷coating forming a typical structure prepared by plasma spray.涂层。粘结层是比陶瓷涂层相对紧凑的结构，这是由于NiCoCrAlY粉末在等离子射流中更容易融化。高孔带（高压区）陶瓷涂层的形成是值得注意的，这是具有厚度为300微米的接近粘结涂层。从表中3可以看出随着陶瓷层厚度的增加，表面硬度增加，而表面粗糙度和孔隙率下降。另一方面，所述粘合涂层的表面粗糙度为13.11.6微米。很明显，粘结涂层的粗糙表面对陶瓷层附近的结构有很大影响。图 2在沉积过程中，粉末在等离子体射流中熔化，然后撞到基板上，最后消失不见，熔滴很快变平并固化，然后形成图示结构，如图2E所示。所示图标的表面基本上是光滑的，但能发现在每个图都有几个主要裂缝。为了得到更可靠的结果，第五幅图被认为是每个陶瓷厚度的裂缝宽度。裂缝的宽度大约为0.5-0.7微米。还有，当陶瓷的厚度增加时，裂缝宽度没有显著的变化。放大图像（图2f）显示，8YSZ是优先在垂直于图示的表面上选向的具有棱形形状的晶粒。晶间的裂缝是很明显的。 事实上，由于冷却和液滴的相变，图示的形成过程中伴随着shrinkage due to the cooling and phase transition of the droplets.收缩。热量是从提示图标向表面和衬底的方向转移。此外，由于高速液滴（约1马赫），提示图标之间的喷丸压力也随之出现。由于该涂层基体系统的热平衡，这些应力可能产生的非常快。其结果是，当拉伸应力超过材料的极限拉伸强度时，垂直于表面的微裂纹可以在提示图标上产生。沉积压力是淬火和喷丸应力等综合因素造成的。这在理论上是不考虑外在因素的，如底物材料、涂层厚度等。因此，沉积压力几乎是一个常数，不参与应力梯度部分形成。 图3在整个系统冷却到室温的过程中，冷却应力通常是由于涂层与基体的热膨胀系数和温度梯度之间的差异产生的。涂层和基体都会经历不同程度的体积收缩过程。在一般情况下，残余应力的最终状态主要是由与沉积应力叠加和冷却应力决定的3.2，应力计算原理3.2.，一般原则无论是理论分析、数值实验，都可以应用for residual stress evaluation于残余应力的评价。由于喷涂工艺是相当复杂的，各种参数被简化可能对应力的形成产生影响，特别是对于一个理论研究来说。这通常会使结果不准确。在这里，有两个实验方法：涂层基体系统和化学底物去除技术的曲率测量都应用了应力计算，斯托尼方程通常用于计算附着到基板上的涂层的残余应力： （1） 在上面公式1中，是平均残余应力，E是杨氏模量d is a uniform thickness, is the curvature of a coatingsubstrate system and is the Poissons ratio. D是厚度均匀的涂层，基板系统曲率是泊松比，下标C和S分别表示涂层和基体。当满足以下条件时这个方程是适用的： （a）两个涂层厚度和基板厚度是均匀的； （b）该涂层和基体有相同的半径R，并且hchsR32,33；由于这些原因，当基体和涂层很厚、曲率不明显时，它不是很适合于这个方程。基材去除方法可以释放涂层基体与结合约束相关的所有压力。然而，由于图标彼此连接，内部的约束仍然存在于自由涂层。因此，沉积应力没有被释放，这意味着只有冷却应力时用基板除去的方法。为了简化的应力的分析，假定弯矩和法向力在自由直立梁上的曲率和长度的变化是沿着梁形涂层均匀变化的。事实上，根据建立在TsuiClyne model应力积聚机制的以往研究，人们认为应力分布几乎呈线性。然后根据线状弹性薄梁理论，因可以用来计算冷却应力： (2) (3)窗体顶端其中是在涂料的冷却应力，公式等字母的含义示于图1A。 整体弯矩可以由光束曲率计算，这导致整体的光束偏转： (4)窗体底端其中M是整体弯矩，F是双涂层或陶瓷涂层偏转，B是梁的宽度，d为梁厚度（涂层厚度）然后从M导出涂层中的应力梯度可由下式给出： (5) （下标top和底bottom表示喷涂层的顶部和底部）3.2.2。应力的计算过程 这两种方法的结合使用其主要目的是获取每一层复合涂层的沉积应力和冷却应力，他们被定义为残余应力叠加。陶瓷和粘结涂层的沉积压力可以通过公式（1）和（2）联合应用来确定。涂覆单层基板的厚度以低速由6毫米降低到约1毫米。那么式（1）应用在薄基片与单层涂层（粘结涂层或陶瓷，分别为117微米和106微米）得到残余应力。基体移除之后，用单层涂层的冷却应力是由公式（2）计算。沉积压力是他们的差值。 在双面涂层中每一层的冷却应力可以通过基板除去的方法来计算。冷却应力在陶瓷的复合涂层中可以容易地由（2）式计算。但是，从粘结涂层直接计算双面涂层的冷却应力是困难的。相反，在双面涂层中应首先计算冷却应力的积分结果，该复合涂层的表观杨氏模量是通过以下方法：假设应力在各个组成部分或每一阶段都是相同的，VoigtReuss模型可以大体反映出多层材料的杨氏模量的上限和下限： (6) (7)窗体顶端其中V是体积分数, 下标B和T代表粘结涂层和陶瓷涂层, Emax和Emin的平均值作为复合涂层的表观杨氏模量。然后将粘结涂层在双面涂层的冷却应力通过合理的数学计算进行评估。假设应力的积累是一定的： (8) (9)窗体顶端其中是在双面涂料的平均冷却应力，是自由 函数，y为在粘合涂层的未确定的冷却应力，y是在从基板所得双面涂层冷却应力的积分结果。下标1和2代表基板粘结涂层界面和粘结涂层陶瓷界面。粘结涂层的平均冷却应力和应力梯度是由方程（8）和（9）得到的。当达到最小值时，Y1和Y2可以确定。达到最小值时： (10)3.3。应力分布及变化图4（a，c）显示在基体上单层粘结层和陶瓷的曲率，图4（B，D）表示它们的涂层。涂层基体系统都表现为凸形，在基体移除之后，该涂层变成凹形的。这通常是估计的，这表明涂料的压缩应力存在。平均残余应力为-159.9MPa和-189.2MPa。直接沉积在基体上的单层陶瓷和粘结涂层的冷却应力是-344.MPa和-424.9MPa。考虑到通过Stoney公式得到的最后的残余应力，粘结涂层和陶瓷的沉积应力分别为184.1 MPa和235.7 MPa。 涂层厚的基板无明显变形。各种厚度的自由陶瓷涂层的弯曲状态is shown in Fig. 4.如图4所示。令人费解的是，凸曲率出现在无基材的双面涂层。然而，粘结涂层去除后，该陶瓷涂层顶部变成了凹形的。自由双涂层的曲度异常可以解释如下：陶瓷比粘结层的杨氏模量相对较小，单层粘结涂层的全长增量为0.38，而双面涂层陶瓷面漆的全长增量是0.62。这意味着，陶瓷的膨胀大于粘结涂层，从而导致凸曲率。表3和图5可以看到双面涂料的最终残余应力分布。对于粘合涂层和陶瓷涂层，当陶瓷的厚度从约100微米增加至约1000微米时，残余应力从压缩变为拉伸。随着陶瓷层厚度的增加，该复合涂层内的应力梯度降低，残余应力和应力梯度变化也更为平缓。总体上，粘结涂层和陶瓷的应力梯度都不是很高，但粘结涂层的陶瓷界面的应力梯度变大。这表明，可能仅在相同的材料中发生有效应力过渡。所有这些都是按照图4所示的曲率变化。 图6A给出厚度陶瓷样品的陶瓷涂层的维氏硬度（HV），标准偏差的平均值为18.9。对于具有恒固定厚度的陶瓷样品，陶瓷的硬度从粘结涂层到陶瓷界面表面逐渐增加。在同一位置的陶瓷，即距离相同的粘结层与陶瓷界面，随着陶瓷厚度的增加，维氏硬度（HV）降低。所以， HV的绝对值主要取决于陶瓷的孔隙率。然而，残余应力也有很大的影响，很容易推断，当压应力在涂层或基板内比较高时，HV变高，反之亦然。粘结涂层中央和靠近基板粘结涂层界面的HV如图6b所示。此外，无涂层的基板和100微米的粘结涂层的维氏硬度分别为98.63和87.69，所述单层粘结涂层的HV是388.62。HV的变化趋势与上述计算的应力分布情况一致，从另一个角度看，也是一个有力的证明。 应力分布可以解释如下，对于传统的镍基高温合金沉积热障涂层，通常bond coat and the ceramic show tensile stress粘结层与陶瓷都显示拉伸应力。在这些情况下，沉积产生应力，而不是冷却应力控制着残余应力的形成。然而，在这项研究中，铝合金的热膨胀系数远高于粘涂层和陶瓷。在离子喷涂过程中，基体被加热到高温，冷却后，粘结涂层产生压应力。这意味着基板和复合涂层之间热膨胀的不匹配在沉积过程中影响很大（陶瓷厚度b250米）。 另一方面，等离子喷涂是一个动态的传热传质过程。基板涂层系统的中间部分暴露在各种不同温度梯度下，以及在沉积过程中将暴露在绝对温度下。涂层与基体之间的温度补偿取决于材料的热导率，而金属或陶瓷涂层的不同热物理性质将在基体上产生不同的膨胀梯度。从表1可以看出，陶瓷的热导率比粘结涂层和基体低得多，而他们的热容是相同的数量级。这表明，随着陶瓷层厚度的增加，陶瓷的表面和基体之间的热传导将更加困难而基板温度的增加也会变小。然后冷却应力转弱，最后，新增陶瓷倾向于拉伸残余应力。3.4。粘结强度 陶瓷厚度从250微米增加到1000微米时，粘结强度分别为15.121.12兆帕、10.671.90兆帕、9.182.31 MPa and 7.320.51 MPa when the ceramic thickness9.182.31 MPa和7.320.51 Mpa。在拔出试验中，基板双工涂层系统的断裂面如图7所示。100m厚的陶瓷样品是不存在，因为根据测试标准，该陶瓷涂层太薄不能做这个测试。基片和粘结涂层之间，用250微米厚度的裂纹陶瓷作为样品。当陶瓷厚度为500微米时，在基材粘结层界面和粘结层陶瓷接口均出现断裂。对于750微米和1000微米厚度的陶瓷样品，陶瓷主要产生内聚破坏。750 微米1000 微米厚度的陶瓷断裂样品的横断面面图像thickness of 750 m and 1000 m are shown in Fig. 8(c, d).示于图8（c，d）。基板边缘处的残余陶瓷的断裂initiates is thin and gradually increases to 100 m and 300 m, respectively.比较薄，然后分别逐渐增加到100 微米和300 微米。因此，陶瓷的断裂发生在高压区。 裂纹表面的变化可能是由应力分布和高压区面积弱点的变化来进行说明。当陶瓷薄（b250m）时，在基板粘结层界面的应力梯度很高并且对断裂行为起到了重要的作用。随着陶瓷层厚度的增加，应力梯度在基板粘结层界面变小，但在陶瓷界面粘结层变得较大。据悉，当界面区的应力梯度是尽可能低时，涂层与基底间的附着力更好。为了进一步了解断裂，我们从压痕试验得到了在粘结层陶瓷界面断裂韧性： (11) (12)其中Ki为界面断裂韧性，PC是最大负载时没有裂纹扩展时的压痕（约50g在该试验中，参见图8a），c为压痕的对角线长度，H是在帕斯卡的硬度。如计算出的表3中所示，当陶瓷厚度超过250微米时，粘结涂层 - 陶瓷界面断裂韧性降低。界面断裂韧性与界面的应力梯度是呈负相关，其相关系数为-0.906，当陶瓷厚度为500微米时，这可能会导致在界面脱粘。然而，靠近界面的高压区面积也应承受较大的应力梯度，使它更脆。当陶瓷厚时，它更加明显。当陶瓷层厚度大于750微米时，这一结果可能会导致接触表面黏结破坏。 评价涂层结合强度的理论很复杂。在此，仅对陶瓷涂层抗拉强度进行了论述，气孔和微裂纹会显著影响陶瓷材料的抗拉强度。假设孔隙均匀分布，Ryskewitsch经验方程显示陶瓷抗拉强度与孔隙率的关系为： (13)其中p是陶瓷的孔隙率（0.15为高压区），是当p = 0的强度（223兆帕的8YSZ 42 ），是一个常数（通常57）。微裂纹长度的影响可以用格里菲思方程计算： （14）是在断裂表面能（1.2 J/m2 8YSZ 43 ），E0是当P = 0时的strength when p=0 (200 GPa 42), a is crack length within polycrystalline强度（200 GPA），a是多晶bulk materials.散装材料的裂纹长度。不考虑陶瓷的内应力，HPZ的拉伸强