1前言 ZrO2-N......



1　前言
　　 ZrO2-Ni系熱障涂層在航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)上已得到應(yīng)用。梯度熱障涂層研究與開發(fā)的興起促進(jìn)了熱障涂層的進(jìn)一步發(fā)展。在等離子噴涂過程中，熔融粉末的沉積和基體的受熱膨脹以及形成涂層時(shí)的收縮將會(huì)使涂層內(nèi)產(chǎn)生殘余應(yīng)力，殘余應(yīng)力的大小對(duì)涂層性能有較大的影響。本研究采用X射線應(yīng)力分析技術(shù)測試涂層表面的殘余應(yīng)力，通過測試噴涂前后試樣曲率半徑的變化估算涂層的平均殘余應(yīng)力，并進(jìn)一步估算幾種階梯涂層內(nèi)的平均殘余應(yīng)力及噴涂過程中涂層的平均溫度，為分析熱障涂層在冷熱循環(huán)過程中的失效行為提供參考。
2　試驗(yàn)方法
　　 采用高壓氫還原包覆法制備不同成分配比的ZrO2-Ni復(fù)合粉末，成分為100.0、72.3、56.7、49.5、40.6、34.5、26.2、14.0和0.0vol%Ni(余量為8wt%Y2O3部分穩(wěn)定的ZrO2)。基材為20mm×22mm×2mm的GH128鎳基高溫合金平板，噴涂前磨平使曲率近似為零，經(jīng)砂處理后備用。采用等離子噴涂工藝制備各成分的單層涂層及多層涂層，多層涂層包括Ni/ZrO2二層、Ni/ZrO2-40.6vol%Ni/ZrO2三層、Ni/ZrO2-56.7vol%Ni/ZrO2-26.2vol%Ni/ZrO2四層和Ni/ZrO2-72.3vol%Ni/ZrO2-49.5volNi/ZrO2-34.5vol%Ni/ZrO2-14.0volNi/ZrO2六層階梯涂層。ZrO2涂層的厚度約400μm，其它涂層約250μm，其它涂層約250μm。詳細(xì)制備工藝參數(shù)見文獻(xiàn)［1］。
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　　 用MSF-2903X射線應(yīng)力分析儀測定涂層表面應(yīng)力，靶材為Cu靶或Cr靶，Ni濾片。Cu靶時(shí)衍射晶面為Ni(420)，Cr靶時(shí)衍射晶面為Ni(311)和C-ZrO2(422)。工藝參數(shù)為：管壓30kV，管流10mA，入射和接收Soller光闌張角0.68°，閃爍計(jì)數(shù)管管壓1.2kV，掃描速度2°/min，時(shí)間常數(shù)85，X射線照射面積3mm×6mm，Ψ角選用0、25、35和45°，用半高寬法定峰位。
　　 噴涂試樣曲率半徑的測試方法為：將試樣用橡膠泥在壓平器上壓平，固定在活動(dòng)平臺(tái)上，基材面朝上，以基材面為XY平面，垂直方向?yàn)閆軸，均勻分劃試樣，選取13個(gè)位置用千分表測試其Z坐標(biāo)，得到基材曲面上13點(diǎn)的坐標(biāo)位置，對(duì)測試坐標(biāo)點(diǎn)按球面方程用最小二乘法擬合，即可計(jì)算出其平均曲率半徑。
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3　結(jié)果與討論
3.1　X射線應(yīng)力分析［2，3］
對(duì)不同成分單層涂層表面的Ni和ZrO2分別測定其峰位衍射角2θi隨Ψi角的變化關(guān)系，以sin2Ψi為橫坐標(biāo)，2θ為縱坐標(biāo)，對(duì)測試點(diǎn)進(jìn)行直線擬合，計(jì)算其斜率Mi，并計(jì)算其相應(yīng)的應(yīng)力常數(shù)，于是可計(jì)算各組元的應(yīng)力
σi=KiMi (1)
近似認(rèn)為涂層的總應(yīng)力可按兩相應(yīng)力線性疊加
σ＝σNiVNi+σZrO2VZrO2
　　如此計(jì)算的涂層表面應(yīng)力隨成分的變化關(guān)系如圖1所示，可以看到，涂層表面的殘余應(yīng)力較小，在幾十兆帕范圍內(nèi)變化，均為拉應(yīng)力。
3.2　曲率測試應(yīng)力分析
　　 原位曲率測試以分析應(yīng)力的方法已得到廣泛應(yīng)用［4-6］。測試噴涂前后試樣曲率的變化亦可估算涂層內(nèi)的殘余應(yīng)力。噴涂前磨平試樣，曲率近似為零。噴涂后試樣曲率半徑R的測定按前述方法進(jìn)行。
　　 涂層內(nèi)的平均應(yīng)力可用其剪切力彎曲矩近似估算［7］。
其中E為彈性模量，h為厚度，下標(biāo)f和s分別對(duì)應(yīng)涂層和基材。由此計(jì)算的涂層平均應(yīng)力與鎳含量的關(guān)系亦示于圖1，均高于X射線所測試的涂層表面應(yīng)力。在高鎳含量區(qū)，兩者給出相似的變化規(guī)律，低鎳含量區(qū)有一定差異，如圖2所示，兩者有較好的相關(guān)性
　　對(duì)于多層試樣采用類似的方法可估算各層內(nèi)的平均殘余應(yīng)力，計(jì)算公式為 (4)
　　其中i=0對(duì)應(yīng)基材，對(duì)二層、三層、四層和六層階梯涂層所有試樣測試的結(jié)果匯于下表。可以看出，多層過渡結(jié)構(gòu)不能改善涂層殘余應(yīng)力。
　　 假設(shè)殘余應(yīng)力源于噴涂過程中涂層和基材冷卻時(shí)的不同收縮，且近似取噴涂時(shí)基材平均溫度T0＝600K，
表 　熱障涂層各層內(nèi)的平均殘余應(yīng)力
Table 　Average residual stress in each layer
of thermal barrier coating
涂層系統(tǒng)曲率半徑
/mm結(jié)合應(yīng)力
/MPa過渡層應(yīng)力
/MPa熱障層應(yīng)力
/MPa
二層313167　106
三層33247111589
四層1685315255/245180
六層2747192183/179/
166/15496

　　根據(jù)所測試的曲率半徑可估算噴涂不同成分涂層的平均溫度Tc及殘余應(yīng)力σf涂層和基材的應(yīng)力分別為［8］
　　其中α為熱膨脹系數(shù)。依據(jù)力平衡和力矩平衡條件可計(jì)算出ε0和Tc，于是可計(jì)算出σf(Z)，按厚度平均就得到了平均殘余應(yīng)力σf，所計(jì)算的平均殘余應(yīng)力和涂層噴涂溫度如圖3所示。如此計(jì)算的殘余應(yīng)力遠(yuǎn)高于直接按曲率半徑計(jì)算的殘余應(yīng)力，但隨Ni含量的變化規(guī)律相擬。Kuroda等人［4］對(duì)噴涂鎳層殘余應(yīng)力的計(jì)算值和原位曲率法測量值分別為1060MPa和55MPa，前者和圖3的估算值相近，后者和X射線應(yīng)力分析結(jié)果相吻合，說明噴涂層中實(shí)際殘余應(yīng)力較小，計(jì)算時(shí)未考慮涂層的屈服，也無法計(jì)及涂層缺陷(如孔隙，微裂紋等)所松弛的應(yīng)力，因而總比實(shí)際值要大得多。同時(shí)，圖3還說明涂層噴涂平均溫度隨鎳含量的增加而降低，在實(shí)際噴涂過程中噴槍的功率也是隨鎳含量的增加而降低，相應(yīng)噴涂溫度有著相似的變化規(guī)律
3　結(jié)論