l基高溫抗氧化陶瓷涂層抗熱震性能的研究

李家科 周健兒 劉 欣

(景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，景德鎮(zhèn)：333001)

1 前言

隨著高新技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)材料性能的要求愈來愈高，由于工程機(jī)械，陶瓷生產(chǎn)輔助設(shè)備及構(gòu)件等工作條件日益茍刻，要求材料具有耐高溫、高溫抗氧化、抗疲勞、抗熱震以及耐沖刷等性能[1-3]。金屬（合金）材料在高溫情況下具有強(qiáng)度高和良好的韌性和導(dǎo)熱性，但抗氧化性較差；而陶瓷材料具有良好的高溫抗氧化性及耐磨性。因此，在金屬（合金）表面涂敷一層陶瓷材料，可以獲得一種既具有金屬（合金）的強(qiáng)度、韌性和導(dǎo)熱性能，又具有陶瓷材料耐高溫、高溫抗氧化、耐磨、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)的新型復(fù)合材料，而具有良好抗熱震性能是保證金屬基陶瓷涂層材料得以應(yīng)用的關(guān)鍵[4-8]。本研究針對(duì)陶瓷涂層的配方組成和厚度對(duì)其抗熱震性能的影響加以考察，并對(duì)其結(jié)果進(jìn)行了分析與優(yōu)化。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 試樣的制備

陶瓷涂層原料是由分散相Cr2O3和粘結(jié)相組成，粘結(jié)相的配方組成如表1所示，其熔融溫度為1200℃。將Cr2O3、陶瓷粘結(jié)相和水按一定質(zhì)量進(jìn)行配比，通過快速球磨制備成料漿，然后采用噴涂方式施于經(jīng)過表面預(yù)處理的FeCrAl合金表面，經(jīng)干燥后備用。涂層熔燒在普通的電爐中進(jìn)行，先以13℃/min的升溫速率升到800℃，再以17℃/min升溫速率升到熔燒溫度1300℃、保溫60min后自然冷卻。

2.2 試樣的性能表征

用JSM-6700F（field emission scanning electron microscope,TESEM）場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀察涂層 / FeCrAl界面的組織結(jié)構(gòu)；用RPZ-1型高溫?zé)崤蛎泝x測(cè)定涂層的熱膨脹系數(shù)；采用急冷急熱法檢測(cè)涂層試樣的抗熱震性。具體方法為：將試樣快速升溫達(dá)到1200℃、保溫10min后取出風(fēng)冷，然后再次放入1200℃爐內(nèi)加熱，往返至涂層出現(xiàn)裂紋或剝落為止，計(jì)算其循環(huán)次數(shù)。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 試樣的組織結(jié)構(gòu)

添加不同Cr2O3量的涂層試樣界面SEM照片如表1所示，從圖中可以看出，涂層與FeCrAl合金之間獲得了較好的結(jié)合，且在涂層和合金之間形成了反應(yīng)層。此外，從圖中可以進(jìn)一步看出，添加30%(質(zhì)量百分比，下同)(圖1(a))和70%(圖1(c))Cr2O3所制備的涂層中分別出現(xiàn)了分散相聚集和空洞現(xiàn)象，只有當(dāng)添加50%Cr2O3所制備的涂層（圖1(b)）結(jié)構(gòu)緊密，分散相均勻地分布在涂層中。產(chǎn)生上述的原因?yàn)?，?dāng)Cr2O3添加量較少時(shí)(如30%)，在1300℃的熔融溫度下會(huì)導(dǎo)致涂層料出現(xiàn)一定程度的過燒，使涂層中的粘結(jié)相出現(xiàn)流失和分散相聚集現(xiàn)象；當(dāng)Cr2O3添加量較多時(shí)(如70%)，在1300℃的熔融溫度下會(huì)使涂層料生燒，從而在涂層中出現(xiàn)空洞等缺陷；只有Cr2O3添加量為50%時(shí)，在1300℃的熔融溫度下，可以使涂層料完全燒結(jié)，從而表現(xiàn)為涂層結(jié)構(gòu)致密、分散相在涂層中均勻分布。

表1 陶瓷粘結(jié)料配方的原料組成(w t%)Tab.1 The composition of raw materials for cementing phase(wt.%)

圖1 陶瓷涂層/F e C r A l合金界面的S E M照片F(xiàn)ig.1 Cross-section SEM images of the interface between the ceramic coating and the FeCrAl alloy matrix

圖2 C r2O3的加入量與試樣抗熱震性的關(guān)系(涂層厚度為100 μm)Fig.2 Thermal shock resistance of the sample as a functions of Cr2O3doping amount (Note:the coating thickness is 100μm)

圖3 不同C r2O3含量的涂層熱膨脹系數(shù)(R T-1100℃)Fig.3 Thermal expansion coefficient of the coating as a function of Cr2O3doping amount

分散相Cr2O3添加量與涂層試樣抗熱震性能之間關(guān)系的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。從圖中可以看出，隨著Cr2O3添加量的增加，涂層試樣的抗熱震性能在逐漸增加，當(dāng)添加量達(dá)到50%時(shí)，涂層試樣的抗熱震次數(shù)達(dá)最大值16次，隨后再增加Cr2O3量，涂層試樣的抗熱震性能迅速下降，當(dāng)添加量增加到70%時(shí)，涂層試樣的抗熱震次數(shù)已減小到3次。由于隨著Cr2O3在涂層中含量的增加，涂層的熱膨脹系數(shù)也相應(yīng)增加（如圖3所示），這將減小涂層與合金之間由于熱膨脹系數(shù)等物理性能不匹配而產(chǎn)生熱應(yīng)力；此外，Cr2O3在涂層中量的增加，也將導(dǎo)致涂層燒結(jié)溫度的升高，所以，在一定的熔燒溫度下，Cr2O3在涂層中的含量有一個(gè)較佳值，當(dāng)超過這個(gè)含量時(shí)，會(huì)導(dǎo)致涂層難以燒結(jié)，使涂層中出現(xiàn)空洞等缺陷，圖1中的SEM照片也證實(shí)這一點(diǎn)。所以，雖然在Cr2O3的添加量70%時(shí)，涂層的熱膨脹系數(shù)高達(dá)到12.53×10-6/℃,但是由于涂層結(jié)構(gòu)疏松和與合金之間的結(jié)合性能差，從而導(dǎo)致了其抗熱震性能的降低。

圖4 涂層厚度與試樣抗熱震性的關(guān)系(C r2O3加入量為50%)Fig.4 Thermal-shock resistance of sample as functions of coating thickness（Cr2O3content 50%）(Note:adding content of Cr2O3is 50%)

3.3 厚度對(duì)試樣抗熱震性能的影響

為了研究涂層厚度對(duì)試樣抗熱震性能的影響，考察了在Cr2O3添加量為50%條件下，涂層厚度與其抗熱震性能之間的關(guān)系，其結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看出，當(dāng)涂層厚度從50μm增加到100μm，試樣的抗熱震次數(shù)從10次增加到最大值16次；當(dāng)涂層厚度從100μm增加到200μm時(shí)，試樣的抗熱震性能下降緩慢；當(dāng)涂層厚度超過200μm時(shí)，試樣的抗熱震性能迅速下降，如涂層厚度為300μm時(shí)，試樣的抗熱震性僅為3次。產(chǎn)生這一實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的原因?yàn)?，由于涂層與基體合金之間的熱膨脹性能（見圖3）等物理性能之間差異較大，必將在涂層和合金之間產(chǎn)生熱應(yīng)力，而一定厚度的涂層又可以起到緩沖界面熱應(yīng)力的作用。當(dāng)涂層厚度為50μm時(shí)，由于厚度較薄，不能很好地緩沖界面的熱應(yīng)力，所以，試樣的抗熱震性能一般；隨著涂層厚度的增加，緩沖界面熱應(yīng)力的作用越明顯，當(dāng)涂層厚度達(dá)到100μm時(shí)，緩沖界面熱應(yīng)力作用達(dá)到最佳，表現(xiàn)為試樣的抗熱震次數(shù)達(dá)到最大值；而涂層厚度在100～200μm之間變化時(shí)，由于涂層厚度增加所帶來的界面熱應(yīng)力增加與其緩沖作用達(dá)到了一個(gè)相對(duì)平衡的階段，所以具有這一涂層厚度試樣的抗熱震性能相差不大；當(dāng)涂層厚度超過200μm時(shí)，涂層厚度增加導(dǎo)致熱應(yīng)力增加的效應(yīng)超過了其緩沖應(yīng)力的作用，所以表現(xiàn)為試樣的抗熱震性能迅速下降。

4 結(jié)論

采用陶瓷粘結(jié)相與Cr2O3制成料漿，采用噴涂方法和空氣中1300℃熔燒制備FeCrAl基高溫抗氧化陶瓷涂層，研究了Cr2O3的添加量和涂層厚度對(duì)試樣抗熱震性能的影響。當(dāng)Cr2O3的添加量為50%、涂層厚度為100μm和熔燒制度1300℃×60min的條件下，所制備試樣的抗熱震次數(shù)可達(dá)16次（室溫←→1200℃）。

Cr2O3對(duì)試樣的抗熱震性能有著顯著的影響，它不僅可以有效地調(diào)節(jié)涂層的熱膨脹性能，還可以調(diào)節(jié)涂料的熔融性能及與基體的結(jié)合性。在一定的熔燒溫度下，Cr2O3在涂層中的添加量有一個(gè)較佳值，含量過低或過高將會(huì)使涂層欠燒或過燒，導(dǎo)致試樣的抗熱震性能降低。

適當(dāng)厚度的涂層可以有效地緩沖界面熱應(yīng)力，提高試樣抗熱震性能的作用。

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