喷涂距离对超音速等离子喷涂制备热障涂层性能的影响

1/5喷涂距离对超音速等离子喷涂制备热障涂层性能的影响喷涂距离对超音速等离子喷涂制备热障涂层性能的影响热障涂层是在燃气轮机叶片表面起到隔热和抗氧化作用，实现提高使用温度、降低系统冷却要求的涂层系统。1，2超音速等离子喷涂技术自上世纪80年代被研制以来，逐渐成为国际热喷涂领域研究的前沿和重点方向之一。35国内外利用超音速等离子喷涂制备热障涂层的研究还处于起步阶段，是先进热障涂层制备技术的前沿。喷涂距离是生产过程重要的工艺参数之一。文章正是选取了四种不同的喷涂距离研究不同喷涂距离对TBCS涂层相关性能的影响。1实验方法样品制备基体选用镍基高温合金INCONEL718，粘结层材料为NICRALY合金粉末，陶瓷层为W8部分稳定的ZRO2。超音速大气等离子喷涂设备采用西安交通大学金属材料强度国家重点实验室第二代超音速等离子喷涂系统，制备出不同喷涂距离的热障涂层样品。2/51实验设计和测试方法箱式电阻炉升温至1000稳定后将样品放入，保温500小时后将样品取出空冷至室温。用金相显微镜观察其截面组织。另组织样品在1000环境氧化23小时，随后空冷1小时后称重，随即放入炉中继续氧化，依此循环总计时本文由论文联盟HTTP/收集整理间240小时。记录循环次数和样品每个时段的重量，绘制氧化增重曲线。使用扫描电子显微镜观察断口形貌。使用DRLII型导热系数测定仪进行常温热导率的测定。结果和讨论抗氧化性能四种样品进行1000氧化500小时后制备出截面金相，金相显微照片如图1所示，其中A、B、C、D图各自代表喷涂距离为80MM、100MM、120MM、140MM的样品情况。在高温氧化过程中，四个样品的粘结层均出现了不同程度的内氧化现象，照片中黑色部分即为内氧化产物。粘结层内部氧化会对铝元素进行消耗，不利于粘结层表面生成其抗氧化作用的稳定的AL2O3膜结构，从而影响涂层的抗氧化性能。比较而言照片即喷涂距离为100MM样品内氧化程度相对较低。热生长氧化物的增厚被认为是热障涂层失效的主要原因。2采用WRCHEN6使用的方法对TGO平均厚度3/5进行估算，结果如表2所示。样品之间TGO厚度的差异证明了之前文中关于内氧化影响粘结层氧化行为的推论内氧化相对严重的样品，产生了较厚的TGO层；样品内氧化程度较弱，氧化后生成的TGO层仅有4M左右。尽管如此，与其他制备工艺相比7，四种样品TGO厚度均在较小的范围之内，这说明超音速等离子喷涂制备的热障涂层具有相对良好的抗氧化性能。对不同喷涂距离的样品进行1000总计240H循环氧化实验。用所得到的样品增重数据绘制循环氧化动力曲线横坐标表示氧化时间，纵坐标表示单位面积上的增重质量。氧化增重的实验体现样品的抗氧化能力和抗热冲击的能力。实验中四种样品均未有出现表面皲裂或脱落的情况。同时，如图2所示，在240H的循环氧化过程中，不同时期的单位面积质量的增加值基本相同或者相近，样品的增重情况遵循类似的趋势。可以说明超音速等离子喷涂制备的热障涂层，在抗氧化和抗热循环性能方面，均体现出良好的性能，并且具有较高的工艺的稳定性。2热导率计算对四种不同喷涂距离的样品进行常温热导率的测量，结果如图3所示。总体来看涂层均保持了较好的隔热性能与普通大气等离子喷涂制备的涂层样品相近，均优于文献4/5中EBPVD方法的报道。7但随着喷涂距离的增加，样品的热导率不断下降，即呈现较好的隔热效果。这可以解释为当喷涂距离较近时，喷涂粒子的飞行动量很大，因此层状堆砌十分紧密，孔隙和裂纹都很少。因此热导率较高。当喷涂距离增加，致密程度下降，组织中孔隙和裂纹的增多都会导致热导率的下降。针对图中所示的数据，我们可以观察到当喷涂距离从100MM增加到120MM时，涂层的热导率出现大幅度下降。2初始样品断口形貌分析为研究产生隔热性能区别的内在原因，实验对上述四种不同样品进行了氧化前初始断口形貌的分析。如图4所示，分图各自代表喷涂距离为80MM、100MM、120MM、140MM样品的情况。涂层由柱状晶粒区以及其间的细晶区组成，其中柱状晶晶粒尺寸没有发生明显变化，均保持在58M。显著的差异体现在结构间的细晶粒区域所显示的涂层组织在致密程度较高，细晶粒区域也由于喷涂过程中烧结的作用结合在了一起；而随着喷涂距离的继续增大，细晶区的晶粒逐渐变得分散，图中的细晶粒开始出现在层状结构间隙的空穴中；图中的细晶粒已经在层状结构之间大量出现，并且尺寸逐渐减小空隙增大。这正是喷涂距离从100MM增加到120MM时，热导率出现大幅度下降产生的原因。5/5四种不同喷涂距离样品断口形貌SEM照片样品的形貌状态与前文所得到的结论得到较好的对应关系随着喷涂距离的增大，涂层中孔隙增多，导致热导率下降。细晶粒以及其周围孔隙可以有效提高涂层的隔热性能，同时，在热循环过程中较为疏密的结构可以一定程度提高样品的应变容限，进而增加涂层的抗热冲击性能。但是，较大较多的孔隙，尤其是靠近金属粘结层的部分，也容易造成粘结层的氧化增厚，对涂层的抗氧化性造成影响，同时对涂层和基体的结合程度产生不利影响。在实际使用过程中必须对两方面因素予以权衡。结束语用超音速等离子喷涂的方法制备热障涂层样品，研究喷涂距离对其性能的影响。总体上，该工艺涂层质量易于控制，