等离子喷涂ZrO_2涂层的火焰喷烧和水淬热冲击

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

等离子喷涂ZrO2涂层的火焰喷烧和水淬热冲击

张红松,王富耻,马壮,李淑华,冼文锋,成志芳

(北京理工大学材料科学与工程学院,北京100081)

[摘　要]　研究了等离子喷涂ZrO2涂层在水淬和火焰喷烧两种条件下的热冲击性能,采用ANSYS软件对两种条件下涂层的热冲击性能进行了有限元计算。结果表明:水淬条件下垂直裂纹主要分布在距离涂层中心12mm的范围内,随着热冲击次数的增加垂直裂纹最终进入次表层,靠近中心处裂纹扩展较快;火焰喷烧条件下,垂直裂纹分布在距离涂层中心

10mm的范围内,随着热冲击次数的增加裂纹在表面层和次表层界面处发生偏转,中心处裂纹扩展较快;火焰喷烧条件下

涂层的抗热震性能优于水淬条件,涂层中的孔隙加速了两种条件下裂纹的扩展。

[关键词]　梯度涂层;热冲击;裂纹;扩展;孔隙;有限元

[中图分类号]TG174.442　　　[文献标识码]A　　　[文章编号]1001-3660()04-0030-04

ThermalShockwithFlameterofPlasma2nZHANGHong2song,WANGFu2i,AIWen2feng,CHENGZhi2fang

(CollegeofMaterialsnstituteofTechnology,Beijing100081,China)[las2sprayingZrO2coatingsundertheconditionsofwaterquenchingandflameANSYSsoftwareisusedtocalculatethethermalshockbehaviorsofcoatingundertwoconditiresultsshowthatunderconditionofwaterquenching,theverticalcracksdistributintheare2a12mmfarawayfromthecenterofcoating.Withtheincreasingofthermalshocknumberverticalcrackswhichpropagatedfastnearthecenterofcoatingenterintothesecondcoating.Theverticalcracksundertheconditionofflamejetdistributeinthearea10mmfarawayfromthecenterofcoating,withtheincreasingofthermalshocknumbertheverticalcrackswhichpropagatedfastnearthecenterofcoatingdeflectattheinterfacebetweenthetop2coatingandthesecond2coating.Thethermalshockresistanceofcoatingundertheconditionofflamejetisbetterthanthatofwaterquenching,theporesincoatingacceleratestheextendingofcracksundertwocondi2tions.

[Keywords]　Gradedcoatings;Thermalshock;Crack;Propagation;Pore;Finiteelement

的制备和失效控制,提高涂层的使用寿命具有重要意义。

0　引　言

等离子喷涂制备的陶瓷2金属热障涂层已在航空、航天发动机等领域得到了广泛的应用。Y2O3部分稳定的ZrO2由于具有低的热导率及良好的抗热冲击性能而成为热障涂层的理想材料[1]。等离子喷涂制备的梯度热障虽然实现材料组分、结构与性能的连续变化,有效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,改善了涂层的性能[223],但由于涂层在高温环境下工作或受到温度剧烈变化的影响时,仍会造成结构的热震损伤而出现早期失效,这已经成为关注的焦点[427]。因此研究热障涂层的热震失效过程中裂纹形成、分布和扩展,对于涂层

[收稿日期]2006-02-15

本文研究了等离子喷涂ZrO22Ni/Al热障涂层在水淬和火焰喷烧两种热冲击条件下裂纹的形成、分布和扩展,并采用AN2

SYS软件对涂层的热冲击性能进行了有限元分析。

1　试验材料和方法

基体为圆柱形LY12硬铝合金,尺寸<36mm×10mm,陶瓷粉μm的6%～8%Y2O3部分稳定的ZrO2,金末采用颗粒度20～80

μm的Ni/Al。在粘结层之前采用超属粉末采用颗粒度45～100

音速火焰喷涂法于基体表面先制备一层NiCoCrAlY层,主要工艺参数见表1,喷涂过程中采用压缩空气冷却来控制基体温度,使

[作者简介]张红松(1977-),男,河南睢县人,博士,主要从事热喷涂技术的研究。

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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

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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

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应力而导致垂直裂纹的产生,随着热冲击次数的增加,裂纹垂直向下扩展并最终进入次表层,靠近涂层中心处裂纹扩展较快。

2)在火焰喷烧条件下,涂层表面由于径向热冲击应力的作

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用也产生了垂直裂纹,随着热冲击次数的增多,裂纹在表面层与次表层界面处发生偏转,靠近中心处裂纹扩展较快。

3)火焰喷烧条件下裂纹的形成和扩展比水淬条件下慢,说

明前者条件下涂层的抗热震性能较好。

4)水淬条件下涂层表面垂直裂纹集中分布在距离中心

12mm的范围内,火焰喷烧条件下则分布在距离涂层中心10mm

的范围内。

5)涂层内部较大孔隙的存在加速了裂纹的扩展。

[

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4　结　论

-1)在含NaCl的溶液(质量分数为315%)中,由于Cl可

以穿透钝化膜导致“闭塞腐蚀电池”效应,M17和M38G均会遭受点腐蚀。

2)在向NaCl溶液(质量分数315%)中添加Na2S2O3(质

--量分数115%)后,溶液中的S2O23将在试样表面活性点与Cl

竞争吸附并与H+结合。结果使蚀孔内部溶液的pH值升高,

Cl从溶液中向蚀孔内部迁移受到抑制,从而使两种合金的点

-

蚀受到抑制。

3)在含Cl的溶液中,由于M38G合金中含有Ta、Nb、Mo

-

等元素使得M38G合金的耐腐蚀性能明显优于M17合金。

[

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