等离子喷涂ZrO_2涂层的火焰喷烧和水淬热冲击(2)

热障涂层

第35卷　第4期　2006年8月

表　面　技　术

SURFACETECHNOLOGY

Vol.35　NO.4Aug.2006　

其低于100℃。涂层结构为0.1mm的NiCoCrAlY打底层,0.1mm的Ni/Al金属层,0.3mm的80%ZrO2220%Ni/Al过渡层,0.5mm的ZrO2表面层。涂层的几何模型见图1,由于涂层结构的对称性,该图仅给出了涂层的一半,纵坐标Z表示从基体底部至表面层的距离(0<Z<10.5mm),该轴即是涂层结构的中心线。横坐标r表示从涂层中心至涂层边沿的距离(0<r<18mm)。

表1　热喷涂工艺参数

涂层成分

NiCoCrAlY100%Ni/Al80%ZrO2100%ZrO2

由图2中可以看出表面工作层含有较多的孔隙,次表层由于

Ni/Al金属的加入孔隙相对较少,两层之间的界面比较明显

。

电流

/A700800850900

N2流量/Ar流量/送粉率/

2121()(21)403.65—

403525

043.5

71520

喷涂距离

/mm380757575

对涂层进行5次水淬热冲击试验后发现,在表面层最先出μm,主要分布在现一些十分细小的垂直裂纹,其平均长度为110

距离试样中心8mm的范围内,如图3所示。垂直裂纹是在热冲击过程中产生的径向热应力超过了表面层的抗弯强度而产生的[3]。随着热震次数的增加,垂直裂纹在径向热应力的反复作μm,用下垂直向下扩展,10150与5。15次热震后,4图1　涂层几何模型

　　水淬热冲击试验:在马弗炉中将涂层加热至400℃,20min后迅速放入清水中冷却。12mm的范围内,而且距离试样中,,宽度越大。15次热震后在靠近中心的μm,基本到达次表层(见图5),地方,垂直裂纹的长度已达430

20次后靠近涂层中心部位的裂纹进一步向次表层内部扩展(见

1000℃,保温5s,℃,如此反复。

将不同次数热循环的涂层沿横截面切开,制备成金相试样在显微镜下观察分析裂纹的形成部位及其分布。

火焰喷烧法对涂层的热冲击主要源于升温过程,而水淬法则源于冷却过程,因此有限元计算时需研究各热冲击过程中应力场的变化情况[8]。

在涂层的水淬热冲击过程中,参照实际的试验过程,取初始条件为涂层整体处于400℃,计算所取边界条件为冷水温度

20℃、对流系数3000W/(m ℃),计算涂层从冷却开始后180s

2

图6)。裂纹的形成、扩展和分布说明,在距离试样中心12mm的范围内,表面工作层中存在相当大的径向热冲击应力,而且越靠近试样中心,应力值越大

。

内涂层冲击应力的变化情况。火焰喷烧过程的计算中取初始条件为涂层整体处于20℃,边界条件为:基体底部是水对流,表面为火焰加热,周围为空气对流,计算加热过程中涂层冲击应力的变化情况。计算所用到的部分热物理性能参数见表2。

表2　材料的热物理性能参数

材料

ρ/E/

(-3)GPa

2700890073205210

70210214.540.84

c/(-1 K-1)

μ

0.330.310.30.28

α/-1λ/(-1)

247

90.54.31.02

AlNi/AlNiCoCrAlYZrO2879

456501502

23.2×10-612.7×10-611.6×10-68.2×10-6

根据水淬热冲击过程中裂纹的形成、分布和扩展情况,重点分析了热冲击过程中涂层径向热应力的变化。图7是涂层的热冲击过程中径向应力随时间的变化曲线,数据取自涂层表面的中心处。由图7可以看出,涂层热冲击过程中产生很大的径向冲击热应力,该应力最初为405MPa,3.01s时达到最大值

471MPa,而后逐渐减小。涂层的剪应力和轴向应力也有类似的

2　结果与讨论

2.1　涂层的水淬热冲击

图2是等离子喷涂梯度涂层的典型微观结构,图2中最上面是纯陶瓷层,中间是YSZ(质量分数为80%)和Ni/Al(质量分数为20%)组成的梯度层,底部发亮的是纯金属构成的粘结层。

变化规律,其中剪应力最大只有1.86MPa,轴向应力为压应力,径向应力在应力分量中最大,正是在如此大的径向应力作用下,涂层中的垂直裂纹才得以产生和扩展。

图8是涂层表面层的径向应力从试样中心至边沿的变化曲线,数据取自冷却开始后的3.01s。从图中可以看出,从试样中