等离子喷涂ZrO_2涂层的火焰喷烧和水淬热冲击(3)

热障涂层

张红松等　等离子喷涂ZrO2涂层的火焰喷烧和水淬热冲击

自表面层的中心点,其中横坐标为时间,纵坐标是径向应力。由图12可知在加热过程中涂层径向应力开始逐渐升高,在450s时达到210MPa,而后随时间的延长径向应力维持在210MPa的水平不再变化,而且该值远小于涂层水淬热冲击中的径向热冲击应力。因此,火焰喷烧条件下涂层中裂纹的形成和扩展均比水淬条件下的慢

。

心至r=12mm范围内,径向应力缓慢逐渐减小,从靠近中心处的472.19MPa缓慢减小到r=12mm处的410MPa,在r=12～

14mm处,径向应力突然下降,在接近试样边沿的地方,径向应

力从拉应力状态转为压应力状态。因此,表面层较大的径向拉应力主要集中在距离涂层中心12mm的范围内,距离中心越近应力值越大。根据实际观察到的裂纹在涂层中的分布和扩展情况,正是由于径向拉应力的分布使得水淬热冲击过程中裂纹主要集中在距离中心12mm的范围内,且靠近中心部位直裂纹扩展较快。因此有限元计算结果与试验结果一致。

图13,r=,r的变化,。正,才使得r=

10mm的范围内。两种试验条件下涂层表面垂直裂纹沿涂层表

2.2　涂层的喷烧热冲击

对涂层进行10次喷烧试验后发现,,,9。与水淬热冲击相比,淬10,这表明涂层在水淬热冲击过程中更易产生裂纹。随着热冲击次数的增加,垂直裂纹进一步向下扩展,15次火焰喷烧后发现涂层表面层中的垂直裂纹与10次喷μm,但数量并烧后相比只是长度有所增加,其平均长度约为210

没有变化,仍然集中分布在距离涂层中心线10mm的范围内,且靠近中心处裂纹扩展较快,见图10。与涂层在水淬热冲击后相比,火焰喷烧情况下涂层中的裂纹平均长度相对较小,表明在火焰喷烧情况下涂层中裂纹扩展较慢。经过20次火焰喷烧后,涂层中的垂直裂纹并不象水淬热冲击条件下那样继续向次表层中扩展,而是在表面层与次表层的界面处发生偏转,见图11

。

面的分布比较相近。

2.3　孔隙对裂纹扩展的影响

由于等离子喷涂工艺的内在原因,涂层内部不可避免地存在大量孔隙,在图2所示的涂层显微组织中可以清晰地看到孔隙的存在。对于热障涂层来说,孔隙的存在一方面降低了涂层的热导率,有利于提高涂层的隔热性能;另一方面从断裂力学的角度,根据Griffith定律[9],如式(1)所示,孔隙的存在将增大裂纹的扩展动力。同时较大的孔隙又是个低能区,裂纹从大孔隙扩展来降低能量比沿直线在材料的无缺陷区域扩展形成新表面来降低能量要容易得多,所以裂纹容易通过大孔隙的连同方式来扩展,这实际上是一个能量释放过程[10]。

2

ασ2/E　　　(1)G1=(1-U)π

图14a、图14b分别是水淬和火焰喷烧情况下裂纹形态照片,由图14可知,涂层中裂纹的扩展正是孔隙的连通过程,裂纹扩展至孔隙处时,如果裂纹尖端能量被孔隙吸收后剩余能量足够大,则裂纹还会从孔隙边界最薄弱处产生并继续向前扩展,孔隙的存在加速了裂纹扩展

。

图14　孔隙对裂纹扩展的影响

根据涂层在火焰喷烧条件下裂纹的形成和扩展情况,计算了其加热过程中涂层内部的径向应力场。图12是涂层径向热应力随时间的变化情况,为便于与水淬条件下相比,数据同样取

3　结　论

1)在涂层水淬热冲击过程中,表面层因产生较大的径向拉