等離子噴涂YSZ涂層瞬態(tài)超高溫沖蝕性能研究

崔永靜，陸峰，高俊國(guó)，張歡歡

（中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司 北京航空材料研究院，北京 100095）

等離子噴涂YSZ涂層瞬態(tài)超高溫沖蝕性能研究

崔永靜，陸峰，高俊國(guó)，張歡歡

（中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司 北京航空材料研究院，北京 100095）

目的研究等離子噴涂YSZ涂層的瞬態(tài)超高溫?zé)g性能。方法借助超音速火焰噴涂設(shè)備實(shí)現(xiàn)超高溫高速火焰，對(duì)等離子噴涂YSZ涂層進(jìn)行瞬態(tài)沖蝕，通過(guò)火焰中加送氧化鋁顆粒模擬對(duì)涂層的高溫沖刷。采用常規(guī)手段評(píng)價(jià)涂層的抗瞬態(tài)超高溫沖蝕性能，并對(duì)沖蝕部位進(jìn)行微觀觀察，探討涂層的失效機(jī)理。結(jié)果 在3000 K、不添加砂粒的條件下，火焰沖擊3 s后鋼基體材料表面發(fā)生沸騰；噴涂0.6 mm YSZ的試樣在火焰沖擊60 s后涂層完好。在3000 K、添加砂粒的條件下，火焰沖擊3 s后鋼基體材料被沖刷出約1.0 mm深坑；噴涂0.6 mm YSZ試樣的涂層被火焰沖刷剝落，但基體未受明顯損傷；噴涂1 mm YSZ的試樣，試驗(yàn)后仍保留部分涂層。結(jié)論 在3000 K高溫瞬態(tài)沖蝕條件下，熱噴涂1 mm厚YSZ涂層可對(duì)材料表面形成有效防護(hù)。

瞬態(tài)超高溫；YSZ涂層；沖蝕性能；超音速火焰噴涂

導(dǎo)彈、火箭等發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室出口的氣流溫度大多在 2200～2800 K，且其中含有大量粒子，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了現(xiàn)用材料的承受范圍，但其工作時(shí)間極短，一般在秒級(jí)甚至毫秒級(jí)[1]，因此可在材料表面采用涂層進(jìn)行瞬態(tài)防護(hù)。6%～8%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Y2O3部分穩(wěn)定的氧化鋯陶瓷(YSZ)硬度高、耐高溫、抗熱沖擊和抗燃?xì)鉀_蝕等性能十分優(yōu)異，已經(jīng)大量地成熟應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件的熱障涂層材料[2—7]，尤其采用大氣等離子噴涂技術(shù)可以制備厚度達(dá)1 mm的YSZ涂層，可作為瞬態(tài)超高溫沖蝕防護(hù)的涂層工藝。超音速火焰噴涂是將氣態(tài)或液態(tài)燃料與高壓氧氣混合后在特定的燃燒室或噴嘴中燃燒，產(chǎn)生高達(dá)3000 K的高溫和1500 m/s的高速膨脹氣流，把噴涂粉末送入這種氣流中，粉末顆粒被加熱并加速?lài)娚涞交w上的工藝，已在熱噴涂領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用[8—12]，該工藝產(chǎn)生的高溫高速焰流可用于瞬態(tài)超高溫沖蝕性能測(cè)試。

為了考察等離子噴涂YSZ涂層在特定條件下的抗瞬態(tài)超高溫沖蝕性能，文中借助超音速火焰噴涂設(shè)備實(shí)現(xiàn)超高溫高速燃?xì)?，首先采用熱電偶?duì)火焰溫度進(jìn)行標(biāo)定，隨后對(duì)不同厚度的YSZ涂層進(jìn)行瞬態(tài)超高溫沖蝕，通過(guò)在火焰中加送氧化鋁顆粒，模擬火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火過(guò)程中高速燃?xì)夂腿剂项w粒對(duì)YSZ涂層的高溫沖刷，并對(duì)涂層的損傷進(jìn)行評(píng)價(jià)，探討涂層損傷機(jī)理。該研究對(duì)導(dǎo)彈、火焰發(fā)動(dòng)機(jī)部件的瞬態(tài)超高溫防護(hù)具有現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 超音速火焰噴涂設(shè)備及溫度標(biāo)定

文中利用的超音速火焰噴涂設(shè)備為 Metco公司的DJ2700型，采用丙烷作為燃料，與純氧混合燃燒形成高溫氣流，其火焰溫度可以達(dá)到 3000 K以上。在這樣高的溫度下，傳統(tǒng)的高溫?zé)犭娕家呀?jīng)不能用來(lái)進(jìn)行溫度測(cè)量，而非接觸式測(cè)溫方法目前在應(yīng)用上仍存在不少問(wèn)題[13—14]，只有尋求熔點(diǎn)更高的偶絲材料與保護(hù)套管材料。鎢錸合金的熔點(diǎn)在3000 ℃以上，因此采用鎢錸(WRe)熱電偶來(lái)進(jìn)行火焰溫度的標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果見(jiàn)表1。隨后的瞬態(tài)超高溫沖蝕試驗(yàn)采用表1中的噴涂參數(shù)進(jìn)行控制，對(duì)應(yīng)的溫度分別為3000，2500 K。

表1 熱電偶溫度標(biāo)定數(shù)據(jù)Table 1 Calibrated temperature by thermocouple

1.2 試驗(yàn)材料及涂層制備

選取45號(hào)鋼作為基體材料，沖蝕試驗(yàn)的試樣規(guī)格為100 mm×100 mm×10 mm，實(shí)驗(yàn)前使用工業(yè)丙酮對(duì)其進(jìn)行清洗吹干，噴涂涂層前采用46目剛玉砂進(jìn)行噴砂處理。等離子噴涂YSZ涂層時(shí)采用商用YSZ噴涂粉末，粒度為（11～125）μm，如圖1所示，涂層厚度分別為0.6，0.8，1.0 mm。

圖1 YSZ噴涂粉末Fig.1 YSZ Spraying Powder

1.3 涂層性能測(cè)試方法

采用FEI Quanta600型環(huán)境掃描電子顯微鏡觀察等離子噴涂YSZ涂層的顯微形貌，觀察時(shí)工作腔室水蒸氣壓力為60 Pa，工作電壓為20 V；采用Struers Duramin型顯微硬度計(jì)測(cè)試涂層的顯微硬度，加載載荷為300 g，加載時(shí)間為15 s；涂層結(jié)合強(qiáng)度參照ASTM C633標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行測(cè)試，采用FM1000膠將有涂層的試樣與噴砂后的對(duì)偶件粘接，經(jīng)180 ℃固化2 h后，在Instron 5882型萬(wàn)能拉伸機(jī)上測(cè)量涂層結(jié)合強(qiáng)度；涂層表面粗糙度采用TR200型表面粗糙度儀進(jìn)行測(cè)試。

涂層進(jìn)行瞬態(tài)超高溫沖蝕試驗(yàn)時(shí)角度為90°，距離為100 mm，送入火焰的氧化鋁砂粒具有明顯的棱角、尺寸為10～30 μm，如圖2所示，砂粒輸送速度為10 g/min。

圖2 Al2O3砂粒Fig.2 Al2O3particles

2 結(jié)果與討論

2.1 等離子噴涂YSZ涂層基本性能

采用等離子噴涂制備的YSZ涂層表面形貌如圖3所示，可見(jiàn)涂層的表面均勻、連續(xù)、無(wú)明顯可見(jiàn)的裂紋。經(jīng)測(cè)試，涂層上5個(gè)測(cè)試點(diǎn)的顯微硬度分別為772 HV0.3，702 HV0.3，776 HV0.3，692 HV0.3，714 HV0.3，取其平均值為731HV0.3，涂層的拉伸結(jié)合強(qiáng)度為25～30 MPa，表面粗糙度為4.5～5.5 μm。

圖3 等離子噴涂YSZ涂層表面形貌Fig.3 The surface morphology of APS YSZ coatings

2.2 無(wú)砂粒條件下的瞬態(tài)超高溫沖蝕

45號(hào)鋼基材在2500 K和3000 K的高速火焰條件下沖擊3 s后的表面形貌分別如圖4a，b所示?？梢钥闯觯跊_蝕中心的基體處出現(xiàn)明顯的損傷凹坑，其中2500 K時(shí)損傷凹坑較淺，熱影響區(qū)面積較大；而3000 K時(shí)的損傷凹坑較深，但熱影響區(qū)面積較小，且有明顯的放射狀痕跡。鋼鐵的熔點(diǎn)為1538 ℃（1811.15 K），沸點(diǎn)為2750 ℃（3023.15 K），當(dāng)高速火焰的溫度為2500 K時(shí)，介于材料熔點(diǎn)和沸點(diǎn)之間，所以沖蝕中心區(qū)域的基體材料熔化形成熔池，同時(shí)中心熱量向四周擴(kuò)散，形成面積較大的熱影響區(qū)；當(dāng)高速火焰的溫度為3000 K時(shí)，超過(guò)了材料的沸點(diǎn)，此時(shí)沖蝕中心區(qū)域的基體材料熔化沸騰，熔滴向四周飛濺形成了明顯的放射狀痕跡，并且造成了中心區(qū)域材料嚴(yán)重?fù)p失，在這個(gè)過(guò)程中，材料熔化沸騰吸收了大量的熱量，四周的熱影響區(qū)面積反而較小。鋼基材表面等離子噴涂0.6 mm厚YSZ涂層的瞬態(tài)超高溫沖蝕后形貌如圖4c所示，可以看出，在3000 K的火焰沖蝕60 s后涂層的宏觀形貌完好，對(duì)基體材料起到了有效的防護(hù)作用。

圖4 不同條件下試驗(yàn)后的表面形貌(無(wú)砂粒)Fig.4 The surface morphology after test under different conditions(No Al2O3particles)

鋼基材表面等離子噴涂0.6 mm厚YSZ涂層瞬態(tài)超高溫沖蝕后的微觀形貌如圖 5所示，可以看出，沖蝕區(qū)域的涂層出現(xiàn)了裂紋，并且在最中心區(qū)域開(kāi)始剝落。一般情況下，等離子噴涂YSZ涂層為亞穩(wěn)四方相，當(dāng)涂層長(zhǎng)期在高溫條件下工作時(shí)，亞穩(wěn)四方相轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆较嗪土⒎较唷Ｔ诶鋮s過(guò)程中，四方相轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡毕?，由于相變伴隨的體積效應(yīng)導(dǎo)致涂層失效[15—16]。在該試驗(yàn)中的火焰溫度為3000 K，超過(guò)了氧化鋯的相變點(diǎn)，甚至達(dá)到了氧化鋯陶瓷的熔點(diǎn)(2988.15 K)[17]，因此涂層發(fā)生相變和體積變化，產(chǎn)生了大量裂紋，導(dǎo)致了涂層的剝落。沖蝕試驗(yàn)前后等離子噴涂YSZ涂層的界面形貌如圖6所示，可以看出，試驗(yàn)后的涂層出現(xiàn)了橫縱交錯(cuò)的裂紋。

圖5 涂層樣品試驗(yàn)后的表面形貌(無(wú)砂粒)Fig.5 The coating surface morphology after test (No Al2O3particles)

2.3 含砂粒條件下的瞬態(tài)超高溫沖蝕

在3000 K的高速火焰中，送入火焰的氧化鋁數(shù)量為 10 g/min，對(duì)鋼材基體和不同厚度的 YSZ涂層進(jìn)行沖蝕測(cè)試。45號(hào)鋼經(jīng)3 s沖蝕后的表面形貌如圖7a所示，沖蝕中心區(qū)域被沖刷出約1.0 mm深的凹坑，受到嚴(yán)重的損傷。0.6mm，0.8mm和1.0 mm厚的YSZ涂層受3 s沖蝕后的表面形貌分別如圖7b，c，d所示，可以看出，0.6，0.8 mm厚的YSZ涂層經(jīng)沖蝕后中心區(qū)域均已裸露出基體材料。隨著涂層厚度的增加，裸露基體的面積明顯縮小，當(dāng)涂層厚度為1.0 mm時(shí)，沖蝕中心區(qū)域依然保留部分YSZ涂層。

圖6 涂層樣品試驗(yàn)前后的截面形貌(無(wú)砂粒)Fig.6 The coating section morphology after test (No Al2O3Particles)

圖7 不同條件下試驗(yàn)后的表面形貌(含砂粒)Fig.7 The surface morphology after test under different conditions(with Al2O3Particles)

0.6 mm厚 YSZ涂層沖刷區(qū)域的表面形貌如圖8所示，可見(jiàn)中心區(qū)域涂層剝落，基體材料受到高溫氧化鋁粒子的沖刷，產(chǎn)生大量的塑性犁削溝（如圖8a所示）。在沖蝕的邊緣區(qū)域，YSZ涂層仍然保留，但也在高溫沖蝕作用下產(chǎn)生了較多的裂紋（如圖8c所示）。

圖8 0.6 mm厚Y SZ涂層試驗(yàn)后的表面形貌（含砂粒）Fig.8 The surface morphology of 0.6 mm thickness YSZ coating after test（with Al2O3particles）

1.0 mm厚YSZ涂層沖刷區(qū)域的表面形貌如圖9所示，中心區(qū)域涂層受到一定的損傷，但并未穿透。圖9a和圖9c分別為沖蝕中心區(qū)域殘留的和邊緣區(qū)域的YSZ涂層形貌，可見(jiàn)明顯的裂紋，并且中心區(qū)域裂紋最為密集。與氧化鋁粒子在鋼材基體表面形成的塑性犁削溝不同，中心區(qū)域的YSZ涂層沖蝕表面呈現(xiàn)棱角分明的突起。由此可以看出，YSZ涂層在高溫和氧化鋁顆粒的共同作用下同時(shí)存在裂紋失效和沖蝕失效兩種模式，在氧化鋁粒子沖蝕過(guò)程中，由于YSZ涂層硬度較高，氧化鋁顆粒不易對(duì)YSZ涂層切削，YSZ涂層的剝落主要是在高溫下產(chǎn)生裂紋后受到氧化鋁顆粒的強(qiáng)力沖擊導(dǎo)致的。

圖9 1.0 mm厚YSZ涂層試驗(yàn)后的表面形貌(含砂粒)Fig.9 The surface morphology of 1.0 mm thickness YSZ coating after test (with Al2O3particles)

3 結(jié)論

由以上試驗(yàn)結(jié)果和分析，可以得到以下結(jié)論。

1）在不含氧化鋁砂粒的條件下，等離子噴涂YSZ涂層在瞬態(tài)超高溫沖蝕下的失效模式為產(chǎn)生裂紋后剝落。

2）在含氧化鋁砂粒的條件下，等離子噴涂YSZ涂層在瞬態(tài)超高溫沖蝕下的失效模式為因超高溫產(chǎn)生裂紋繼而受到粒子的強(qiáng)力沖擊后加速剝落。

3）在含氧化鋁砂粒的3000 K高溫火焰瞬態(tài)沖蝕條件下，熱噴涂1 mm厚的YSZ涂層可對(duì)材料表面形成有效防護(hù)。

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Transient Ultra-high Temperature Erosion Resistance of Plasma Spray YSZ Coatings

CUI Yong-jing,LU Feng,GAO Jun-guo,ZHANG Huan-huan
(Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Advanced Corrosion and Protection for Aviation Material, Beijing Institute of Aeronautical Materials, Beijing 100095, China)

ObjectiveTo study the transient ultra-high temperature erosion resistance of plasma spray YSZ coatings.MethodsThe transient ultra-high temperature erosion test on APS YSZ coating was carried out with high temperature and high speed flame generated high velocity oxygen fuel spraying equipment, and the impaction was simulated by feeding the alumina particles. Then the transient ultra-high temperature erosion resistance of coating was evaluated by conventional means. The failure mechanism of the coating was investigated according to the microscopic analysis.ResultsUnder the test condition of 3000 K and no particle addition, the steel substrate boiled after 3 s of flame erosion, while the YSZ coating with 0.6 mm thickness was integral after 60 s of flame erosion. Under the test condition of 3000 K and particles addition, the steel substrate was impacted to generate about 1 mm deep pits after 3 s of flame erosion, the YSZ coating with 0.6 mm thickness was peeled off without substrate damage, and the YSZ coating with 1.0 mm thickness was still partially retained.ConclusionAPS YSZ coating with 1.0 mm thickness could protect the substrate effectively from the transient ultra-high temperature erosion at up to 3000 K.

transient ultra-high temperature; YSZ coating; erosion resistance; HVOF

10.7643/ issn.1672-9242.2016.03.005

TJ7；TG174.44

A

1672-9242(2016)03-0031-06

2016-02-03；

2016-03-30

Received：2016-02-03；Revised：2016-03-30

崔永靜（1984—），男，河北人，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)闊釃娡抗に嚒?/p>

Biography：CUI Yong-jing (1984—), Male, from Hebei, Master, Engineer, Research focus: thermal spray technology.