去应力退火对等离子喷涂ZrO_2_NiCoCrAlY热障涂层热震性能的影响.pdf

去应力退火对等离子喷涂 ZrO2-NiCoCrAlY热障涂层热震性能的影响Effect of Stress Relief Annealing on Thermal Shock of ZrO2-NiCoCrAlYT hermal Barrier Coating by Plasma-Spraying黄维刚(重庆大学 材料科学与工程学院,重庆 400044)HUANG Wei-gang(College of MaterialsScience and Engineering,Chongqing University,Chongqing 400044,China)摘要:研究了等离子喷涂ZrO2-NiCoCrAlY 不同结构热障涂层的硬度分布及 800和 1000温度下的热震性能。并进一步研究了去应力退火对涂层热震性能的影响。结果表明,与非梯度涂层相比,梯度涂层具有较平缓的硬度分布,不存在金属与陶瓷层界面间的硬度突变。热循环温度增加,使抗热震性降低,但梯度涂层在两种温度下均具有较高的抗热震性。去应力退火处理较显著地提高了涂层的抗热震性。关键词:等离子喷涂;热障涂层;热震性;梯度涂层;去应力退火中图分类号:174.442文献标识码:A文章编号:1001-4381(2001)10-0025-02Abstract:In this paper,the microhardness distribution and thermal shock resistance at 800and1000 of ZrO2-NiCoCrAlY plasma-sprayed thermal barrier coating with different structure werestudied.Furthermore,the effect of stress-relief annealing on thermal shock resistance of coatingwas investigated.The results show that the graded coating has gradual microhardness distributionand has not sharp change of microhardness at the interface between metal and ceramic layer in com-parison with non-graded coating.T he thermal shock resistance will drop when the thermal cyclingtemperature is elevated.But the graded coatings always have better thermal shock resistance at800 and 1000.It is found that the thermal shock resistance can be raised remarkably by thestress relief annealing.Key words:plasma spraying;thermal barrier coating;thermal shock;graded coating;stress reliefannealing等离子喷涂技术制备的陶瓷-金属热障涂层已在航空、航天、高温发动机、核能以及冶金等工业领域得到广泛应用。部分稳定 ZrO2由于具有低的导热率及良好的抗热冲击性能,使其成为热障涂层的理想材料 1。但由于涂层制备过程中产生的残余应力以及受热循环温差产生的热应力,会使涂层早期剥落而影响零件的使用寿命。等离子喷涂 ZrO2-NiCoCrAlY 梯度热障涂层由于在结构上实现了材料组分、结构与性能的连续变化,有效地缓解了涂层制备后的残余应力以及因热循环造成的热应力,使涂层的性能明显改善 2,3。因此消除涂层中的残余应力将有助于提高涂层的抗热震性能。本文研究了不同结构的ZrO2-NiCoCrAlY 陶瓷涂层的硬度梯度分布特征及热震性能,并采用去应力退火处理,比较了去应力退火对涂层热震性能的影响。这可为涂层的设计和使用提供有价值的参考。1试验材料与方法试样的基体材料为 6mm 厚的 1Cr18Ni9T i 不锈钢。金属粘结层为 NiCoCrAlY,陶瓷粉料选用含 8%Y2O3的部分稳定 ZrO2。设计的三种涂层的结构及厚度见表 1。表 1涂层结构及厚度/?mT able1Structure and thickness of different coatings试样号M75%M+25%YSZ50%M+50%YSZ25%M+75%YSZYSZ1250-2502150-200-2003100100100100200注:M:NiCoCrAlY;YSZ:ZrO2-8%Y2O325去 应力退 火对等离 子喷涂ZrO2-NiCoCrAlY热障涂层 热震性 能的影响热震实验所用试样的尺寸为 15mm 6mm 6mm,加热温度为 800和 1000,在炉中保温 15min后迅速淬入室温水中,如此重复上述过程。用 5 倍放大镜观察并记录试样表面及横截面上出现裂纹的循环次数和涂层中裂纹扩展及剥落的循环次数。去应力退火工艺为 400加热,保温 2h 后随炉冷却至室温。用 HV-100 型显微硬度计测定了涂层的硬度沿截面的分布,载荷为 200g。2实验结果与讨论2.1涂层的硬度分布用显微硬度计测量了不同涂层结构的显微硬度沿涂层厚度方向的变化情况,结果如图 1 所示。由图可见,表面陶瓷层具有很高的硬度,达到 HV640,随离表面距离的增加,硬度降低。非梯度涂层由于成分在界面处的突变,在陶瓷与金属粘结层的界面处,硬度的变化梯度较陡。梯度涂层的硬度分布梯度明显变缓,特别是 3#试样的硬度变化呈现连续降低。这一结果表明梯度结构涂层由于陶瓷与金属含量比例的连续变化,使硬度沿横截面的梯度变化趋势变缓。陶瓷与金属成分梯度越平缓,硬度的梯度变化也越平缓,这将有利于消除金属与陶瓷界面上热应力的剧烈变化,使热应力的分布变得缓和。实验发现,退火处理对涂层的硬度及硬度分布基本上没有改变。图 1ZrO2-NiCoCrAlY涂层的硬度分布Fig.1M icrohardness distribution of ZrO2-NiCoCrAlY coatings2.2涂层的抗热震性热震性能实验是以试样表面或侧面最初发现裂纹的循环次数定为涂层起裂循环次数,并且实验进行到涂层出现剥落为至。不同实验条件下的热震实验结果见表 2 至表 4。由表中的实验结果可知,不论是梯度涂层还是非梯度涂层,涂层起裂和剥落的循环次数均随热震实验温度的提高而减少。在同一温度下,梯度涂层的热震性能明显高于非梯度涂层,其中以五层结构涂层(3#试样)的性能最好。一般认为,涂层的热震失效在很大程度上与 ZrO2陶瓷和金属基体间的热膨胀系数差所造成的热应力有关。而将粘接层金属NiCoCrAlY 与 ZrO2按不同的比例混合制备的梯度涂层,可逐渐地降低金属与陶瓷涂层间的热膨胀系数,使热应力的变化较平缓,还可缓解涂层中的热应力,这将对提高涂层的抗热震性起有益作用。因此梯度涂层的成分与结构梯度越平缓,抗热震性能越好。表 2800热震实验结果Table 2Results of thermal shock at 800循环次数失效方式1#2#3#3界面裂纹无裂纹无裂纹6裂纹扩展界面裂纹无裂纹11涂层剥落裂纹扩展界面裂纹20涂层剥落涂层剥落裂纹扩展表 31000热震实验结果T able 3Results of thermal shock at 1000循环次数失效方式1#2#3#2界面裂纹无裂纹无裂纹4裂纹扩展界面裂纹无裂纹6裂纹扩展裂纹扩展界面裂纹13涂层剥落表面裂纹裂纹扩展20大块剥落小块剥落表面裂纹表 4退火处理后 800的热震实验结果Table 4Results of thermal shock at 800 after annealing循环次数失效方式1#3#8界面裂纹无裂纹13裂纹扩展界面裂纹20涂层剥落裂纹未扩展由表 4 可见,经 400退火后非梯度和梯度涂层的抗热震性均有明显提高,裂纹的产生、扩展和剥落的热循环次数均增加。特别是 3#梯度涂层经 20次热震循环后,裂纹未见明显地扩展。我们认为,去应力退火提高了涂层的抗热震性,其应该与去应力退火处理降低或消除了涂层制备过程产生的残余应力,减小了热循环产生的热应力与试样制备后的残余应力叠(下转第 34 页)26材料工程/2001 年 10期S=L初-V(I2)M(I2)/103/10-4-0.0995/12.44由图 6 可以看出,测定结果 S-L 近似符合线性关系,解析直线得其直线关系为:S=(L+0.9232)/43.35其中,S 为染料含量(g);L 为消耗氯化亚锡量(10-4mol)。同上面的处理方法,得:S=L初-V(I2)M(I2)/103/10-4+0.9232/43.353结论(1)研究了两种商品染料(酸性大红、酸性黑10B)的定量分析方法,得到了它们的 A-C 曲线(吸光度-浓度曲线)、S-L 曲线(染料量-消耗氯化亚锡量曲线)。(2)实验结果表明:分光光度法适用于微量分析,溶液的浓度必须在分光光度计可检测的范围之内,约为 10-210-3g/L。在有干扰离子存在的情况下,可以将其掩蔽后,再进行测定。而化学滴定法使用于对常量组分的分析,为了使分析精度达到相对标准偏差5.0%,对分析量有一定的要求,对于酸性黑 10B 这个量约为 0.1g,对于酸性大红 GR 这个量约为 1.4g。(3)化学分析设备简单,操作方便;分光光度法设备便宜,操作简单,分析速度快,这两种分析方法很适合在生产实际中使用。参考文献 1 胡传.表面处理技术手册 M.北京工业大学出版,1997.2 胡德林.金属学及热处理 M.西安:西北工业大学出版社,1995.3 周春隆.酸性染料及酸性媒介染料 M.北京:化学工业出版社,1989.4 化学工业标准汇编 S.国家质量技术监督局,1992.5 杨锦宗.染料的分析与剖析 M.北京:化学工业出版社.1987.6 张维冰,张云等.色谱柱分离过程的弛豫理论 J.分析科学学报,16(2),107-111.7 Patricia Broadbent,Robin Boycott,Martin Lunnon,Soraya Reza-khani,Mark C Whiting.J Chem Research.1980,160-161.8 华东化工学院分析化学教研组,成都科技大学分析化学教研组.分析化学 M,高等教育出版社,1989.9 罗庆尧,邓延倬,蔡汝秀,曾云鹗.分光光度分析 M.北京:科学出版社,1992.10 周金方.合成染料的分析化学 M,北京:化学工业出版社,1988.11 中国航空工业总公司航空材料研究院.铝和铝合金零件的阳极化和在有机颜料溶液中着色工艺说明书.12 电镀手册 M.北京:国防工业出版社,1988.13 杨桂法,王玉枝,杨霞.有机化学分析 M.长沙:湖南大学出版社,1989.14 窦锦珍.染料及中间体的工业分析法 M.北京:化学工业出版社,1952.收稿日期:2001-01-15;修订日期:2001-07-18作者简介:李松梅(1964-),女,汉族,副教授,博士,一直从事腐蚀科学、表面防护工程、分析测试技术以及电化学方面的教学与科研工作,主持多项基金研究,发表论文 20余篇,联系地址:北京航天大学材料科学与工程学院 103 教研室(100083)。*(上接第 26 页)加的应力峰值有密切的关系。而且已有实验表明,经退火处理后,由于残余热应力的释放,使梯度涂层的结合强度增加 4,5。涂层结合强度的提高也有助于改善涂层的热震性能。由此可以认为,涂层中的残余应力是影响热障涂层热震早期失效的重要因素,去应力退火处理是提高热障涂层热震性能的有效方法。3结论(1)与非梯度涂层相比,ZrO2-NiCoCrAlY 梯度涂层的金属与陶瓷界面处不存在硬度的突变,使硬度分布梯度较平缓。这是由于涂层中的金属与陶瓷相按一定的比例连续变化的结果。(2)梯度涂层能有效地推迟涂层中裂纹的形成及降低裂纹的扩展速率,提高抗热震性能。提高热震实验的加热温度,热震失效的热循环次数降低。(3)喷涂试样经400去应力退火,使涂层的抗热震性能显著提高。这表明去应力退火处理是提高热障涂层热震性能的有效方法。参考文献 1 R T aylor and J R Brandon.Surf Coat T echnol.1992,50:141.2 M Niino,S Maeda.ISIJ Int.1990,30(9):699.3 M Koizumi,K U rabe.ISIJ Int.1989,75(6):887.4 Y W Gu,K A Khor,Y Q Fu,Y Wang.Surf Coat T echnol.1997,96:305.5 C S Richard,G Beranger,et al.Surf Coat T echnol.1996,82:99.收稿日期:2001-03-31;修订日期:2001-08-01作者简介:黄维刚(1956-),男,博士,副教授,重庆大学材料科学与工程学院,主要从事合金的组织与性能,陶瓷涂层技术的研究,联系地址:重庆大学 材料科学与工程学院(400044)。34材料工程/2001 年 10期