PS-PVD熱障涂層抗沙塵沖刷行為研究

陳文龍，劉 敏，肖曉玲，張吉阜

(1.廣東省工業(yè)分析檢測(cè)中心，廣州 510650；2.廣東省新材料研究所，廣州 510650)

0 引言

熱障涂層(簡(jiǎn)稱TBCs)不僅能夠提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件的服役溫度，還能夠防止高溫合金基體過(guò)早發(fā)生高溫氧化腐蝕[1,2]。但飛機(jī)在低空或沙漠地帶飛行過(guò)程中，外界空氣中往往懸浮著許多塵埃硬質(zhì)小顆粒，它們進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)后會(huì)在慣性力作用下偏離氣體流道而撞向發(fā)動(dòng)機(jī)葉片及熱端部件表面涂層，對(duì)涂層造成沖刷作用[3-5]。此外發(fā)動(dòng)機(jī)封嚴(yán)涂層磨損失效剝落的微小碎屑以及燃燒形成的碳顆粒卷進(jìn)高速射流中對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件表面涂層同樣會(huì)造成很大高溫沖刷作用[6,7]。在上述外部硬顆粒和高速噴射下，多孔結(jié)構(gòu)的熱障涂層的過(guò)早剝落失效是不可避免的，將造成涂層的使用壽命降低。因此，沙塵沖刷引起的熱障涂層過(guò)早剝落失效不容忽視。

蘇爾壽-美科基于等離子噴涂(PS)和物理氣相沉積(PVD)技術(shù)開(kāi)發(fā)了等離子噴涂-物理氣相沉積技術(shù)，由于該技術(shù)具備高速等離子體(～120kW)和真空燃燒室(50-200Pa)，故噴涂粉末可以迅速被融化甚至氣化[8-9]。通過(guò)調(diào)節(jié)噴涂參數(shù)(如功率、噴距等)，可制備不同微觀結(jié)構(gòu)涂層，例如層狀涂層、柱狀涂層、混合結(jié)構(gòu)涂層等[10,11]，其中制備的羽-柱狀結(jié)構(gòu)熱障涂層熱導(dǎo)率低至0.50W/mK，具有優(yōu)異的抗氧化和抗熱震性能[12]，有望成為最具前景的高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)和渦輪葉片制備技術(shù)[13-18]。但PS-PVD沉積過(guò)程中，單位體積內(nèi)氣相粉末粒子濃度較大，“陰影效應(yīng)”加劇，涂層中納米晶粒存在嚴(yán)重搭橋現(xiàn)象[19]，晶粒之間的納米級(jí)孔隙來(lái)不及向外擴(kuò)散遷移，造成了PS-PVD熱障涂層的孔隙率更高, 最高可達(dá)60%。國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對(duì)比研究了PS-PVD熱障涂層與APS和EB-PVD熱障涂層抗沖刷性能，表明了PS-PVD制備的羽-柱狀熱障涂層的抗沙塵沖刷性能仍不及APS和EB-PVD熱障涂層[20-21]。目前，在常溫條件下PS-PVD熱障涂層的沖刷失效行為和失效機(jī)理很少被研究，而采用APS技術(shù)改善PS-PVD熱障涂層抗沖刷性能的思路方法幾乎未被提及。

本文首先研究大氣條件下PS-PVD羽-柱結(jié)構(gòu)熱障涂層沖刷失效機(jī)理，然后結(jié)合APS技術(shù)，在PS-PVD熱障涂層表面制備了致密層狀熱障涂層，以提高PS-PVD羽-柱結(jié)構(gòu)熱障涂層的抗沖刷性能，重點(diǎn)研究致密層厚度對(duì)PS-PVD熱障涂層的抗沖刷行為的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 PS-PVD熱障涂層及復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層試樣制備

基體材料為Ni基高溫合金(K417G)，首先采用電火花線切割直徑25.4mm，厚度6mm圓柱試樣，接著對(duì)試樣表面進(jìn)行打磨、超聲除油處理，采用28#號(hào)棕剛玉砂礫對(duì)除油后表面噴砂處理。然后在高溫合金表面沉積了一層粘結(jié)層(厚度約100μm)，以提高基體和涂層之間結(jié)合力，接著在粘結(jié)層表面制備羽-柱狀7YSZ涂層(厚度約200μm)。作為對(duì)比試驗(yàn)，采用APS技術(shù)在羽-柱狀涂層表面分別制備一層厚度為5μm、10μm、20μm的致密層狀7YSZ涂層。熱障涂層制備工藝參數(shù)如表1所示。

表1 7YSZ熱障涂層制備工藝參數(shù)Table1 Deposition parameters of 7YSZ thermal barrier coatings

1.2 沙塵沖刷實(shí)驗(yàn)

涂層抗沖刷性能測(cè)試按照GE E50TF121標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試，采用剛玉(Al2O3)砂粒，粒徑大小為280目(約55μm)，有不規(guī)則棱角，沖刷距離為101.6mm，沖刷角度為20°，送砂速率約為2±0.5g/min，壓縮空氣壓力為0.25MPa, 沖刷裝置如圖1所示。采用涂層失重法來(lái)表征涂層的沖蝕速率，即每次加入0.005kg砂粒進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，砂礫消耗完后取出稱重，計(jì)算每消耗1kg砂粒涂層的失重量，單位為g/kg。采用兩個(gè)平行試樣的平均值作為實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，沖刷后涂層表面及截面微觀形貌采用SEM進(jìn)行觀察。

圖1 沙塵沖刷實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Particle erosion test device

2 結(jié)果與討論

2.1 沖刷試驗(yàn)結(jié)果及沖刷性能對(duì)比

圖2(a)-(d)為分別PS-PVD羽-柱結(jié)構(gòu)和復(fù)合結(jié)構(gòu)(PS-PVD+APS)熱障涂層沖刷前、沖刷1次、5次、6次后的宏觀照片。由于PS-PVD沉積涂層過(guò)程中往往會(huì)缺氧，故噴涂態(tài)PS-PVD熱障涂層呈現(xiàn)出灰白色。但隨著涂層表面致密層厚度增加，復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層表面顏色逐漸向黃色轉(zhuǎn)變，如圖2(a)所示。在沖刷1次后，如圖2(b)所示，由于1#涂層表面沒(méi)有致密層保護(hù)，因此1#號(hào)涂層表面被沖刷最為明顯，2#、3#復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層表面沖刷中心區(qū)呈現(xiàn)出白色，表明致密層也已經(jīng)被沖破，而4#復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層仍呈現(xiàn)出黃色，表明致密層未被沖破。沖刷5次后，1#涂層沖刷面積最大且呈現(xiàn)出與中間粘結(jié)層相近的顏色，同時(shí)4#復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層表面也出現(xiàn)了沖蝕點(diǎn)，且呈現(xiàn)出白色，表明致密層也被沖破，如圖2(c)所示。沖刷6次后，1#涂層沖刷面積沒(méi)有明顯增加，顏色也無(wú)明顯變化，2#、3#涂層沖刷區(qū)面積無(wú)明顯增加，但顏色有所加深，4#涂層表面沖蝕點(diǎn)逐漸增加形成較為明顯的灰白色沖刷區(qū)，但在沖刷區(qū)周?chē)源嬗忻黠@黃色致密層，如圖2(d)所示。

圖2 7YSZ熱障涂層沖刷宏觀照片：(a)噴涂態(tài)；(b)沖刷1次；(c)沖刷5次；(d)沖刷6次Fig.2 Macroscopic photos of 7YSZ thermal barrier coating: (a)As-sprayed, experienced erosion, (b)1 time,(c)5 times, (d)6 times

圖3為PS-PVD熱障涂層和復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層沖刷6次后中心區(qū)表面微觀形貌，可看到?jīng)_刷6次后中心區(qū)所有涂層表面形貌十分平坦，無(wú)法看到柱狀結(jié)構(gòu)。結(jié)合圖4中的沖刷中心區(qū)截面微觀形貌可推斷，在沖刷6次后，所有涂層的底部致密層均沒(méi)有被沖破，并仍然保留部分致密柱狀根部。此外，從圖4中明顯可以看到，隨著致密層厚度的增加，未被沖刷掉的致密根部越來(lái)越厚，分別為10μm、15μm、20μm、43μm，這說(shuō)明致密層越厚，對(duì)PS-PVD熱障涂層的保護(hù)作用愈加明顯。

圖3 7YSZ涂層沖刷6次后中心區(qū)表面微觀形貌：(a)PS-PVD；(b)PS-PVD+APS(5μm)；(c)PS-PVD+APS(10μm)；(d)PS-PVD+APS(20μm)Fig.3 Center zone surface microscopic topography after erosion 6 times of 7YSZ coating:(a)PS-PVD, (b)PS-PVD+APS(5μm), (c)PS-PVD+APS(10μm), (d)PS-PVD+APS(20μm)

圖4 7YSZ涂層沖刷6次后中心區(qū)截面微觀形貌：(a)PS-PVD；(b)PS-PVD+APS(5μm)；(c)PS-PVD+APS(10μm)；(d)PS-PVD+APS(20μm)Fig.4 Center zone cross-sectional microstructure of the 7YSZ coating experienced erosion 6 times:(a)PS-PVD, (b)PS-PVD+APS(5μm), (c)PS-PVD+APS(10μm), (d)PS-PVD+APS(20μm)

2.2 PS-PVD熱障涂層沖刷行為及失效機(jī)理

圖5為涂層沖刷前和沖刷后的微觀表面形貌。從圖5(a)可以看出，涂層沖刷前微觀表面呈現(xiàn)出“菜花狀”結(jié)構(gòu)，這是由于粉末在高溫等離子體射流中被迅速氣化，并快速沉積在基體表面所導(dǎo)致。沖刷后的涂層表面微觀形貌如圖5(b)所示，從沖刷后表面形貌特征可以看出，在沖刷邊緣區(qū)(A區(qū))較為疏松，將其進(jìn)行局部放大，如圖5(c)所示，可以看到?jīng)_刷前的涂層表面“菜花狀”頭部已剝落，表面呈現(xiàn)出V型槽形貌。圖5(d)為沖刷過(guò)渡區(qū)(B區(qū))的高倍圖，可發(fā)現(xiàn)V型槽越來(lái)越少，涂層表面柱狀結(jié)構(gòu)根部越來(lái)越多，還有一些根部剝落形成的凹坑。同時(shí)從一些根部的局部放大圖中還能發(fā)現(xiàn)貫穿柱狀結(jié)構(gòu)的“穿晶”微裂紋。圖5(e)為沖刷中心區(qū)域，該區(qū)域涂層表面相當(dāng)致密，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何的柱狀結(jié)構(gòu)。從局部高倍圖可看到明顯的切削溝槽，這與熱噴涂耐磨涂層(Cr3C2, WC-Co涂層等)沖蝕表面形貌相類似[22],故涂層中心區(qū)沖刷呈現(xiàn)出典型的微觀切削磨粒磨損失效機(jī)制[23-24]。

圖6為涂層沖刷前和沖刷后不同區(qū)域的截面圖。噴涂態(tài)PS-PVD熱障涂層截面頂部為典型的“菜花狀”頭部，如圖6(a)所示。當(dāng)砂粒開(kāi)始沖刷時(shí)，每個(gè)“菜花狀”頭部率先受到壓-壓脈沖載荷作用[24]，造成微裂紋在二次柱狀晶界處萌生。接著砂粒持續(xù)沖刷，微裂紋將沿著晶界擴(kuò)展，導(dǎo)致“菜花狀”頭發(fā)生脆性斷裂剝落，形成如圖6(b)所示的V型槽。通常在沙塵沖刷過(guò)程中，涂層表面受到剪切應(yīng)力與壓力-壓力脈沖載荷的正應(yīng)力的相互作用，涂層表面V型槽邊緣的凸起部分經(jīng)受剪切脆性斷裂并剝離，使得涂層表面由較為平整的柱狀根部組成。接著當(dāng)柱狀根部受到法向正應(yīng)力作用時(shí)，在柱狀根部?jī)?nèi)部形成如圖5(d)中“穿晶”微裂紋，隨著沖刷的進(jìn)行，“穿晶”微裂紋擴(kuò)展會(huì)造成柱狀內(nèi)部結(jié)合力下降。此時(shí)受到剪切應(yīng)力作用時(shí)，柱狀根部將發(fā)生“穿晶”脆性斷裂，從而形成凹坑，如圖6(c)所示。當(dāng)柱狀根部逐漸被沖刷完后，由于涂層底部為致密的陶瓷層，此時(shí)砂粒沖刷所產(chǎn)生的剪切應(yīng)力就像刀具對(duì)致密底層不斷切削，逐漸形成如圖6(d)所示的切削溝槽。

綜上所述，PS-PVD熱障涂層沖刷失效過(guò)程經(jīng)歷了三個(gè)階段：

快速?zèng)_刷階段，即砂粒對(duì)疏松的“菜花狀”頭部沖刷階段。當(dāng)涂層表面“菜花狀”頭部受到砂粒壓-壓脈沖載荷沖刷，會(huì)造成涂層內(nèi)部二次柱狀晶界處微裂紋的萌生，隨著砂粒的不斷沖刷，“菜花狀”頭部剝落后在涂層表面形成V型槽。

中速?zèng)_刷階段，即砂粒對(duì)疏松頭部以下，致密底部以上柱狀結(jié)構(gòu)沖刷階段。柱狀結(jié)構(gòu)受到壓-壓脈沖載荷法向正應(yīng)力作用，在柱狀結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成“穿晶”微裂紋，最后在切應(yīng)力作用下造成柱狀結(jié)構(gòu)發(fā)生“穿晶”脆性斷裂剝落在涂層表面形成凹坑。

慢速?zèng)_刷階段，即砂粒對(duì)底部致密陶瓷層沖刷階段。當(dāng)?shù)撞刻沾蓪邮艿綁?壓脈沖載荷正應(yīng)力和切應(yīng)力的相互作用發(fā)生塑性變形，其中正應(yīng)力導(dǎo)致致密層表面產(chǎn)生壓痕，切應(yīng)力像刀具一樣切削表面，形成長(zhǎng)而淺的切削溝槽，屬于典型磨粒磨損失效機(jī)制。

圖5 熱障涂層沖刷前和沖刷后表面形貌圖：(a)噴涂態(tài)；(b)沖刷后；(c)沖刷A區(qū)放大圖；(d)沖刷B區(qū)放大圖；(e)沖刷C區(qū)放大圖Fig.5 Microscopic topography of the surface of thermal barrier coating before and after erosion:(a)As-spray, (b)after erosion, (c)magnified images of erosion zone A in Fig.2(b),(d)magnified images of erosion zone B in Fig.2(b), (e)magnified images of erosion zone C in Fig.2(b)

圖6 PS-PVD熱障涂層微觀截面圖： (a)噴涂態(tài)；(b)沖刷邊緣區(qū)；(c)沖刷過(guò)渡區(qū)；(d)沖刷中心區(qū)Fig.6 Section microstructures of thermal barrier coating by PS-PVD ：(a)As-spray, (b)erosion edge area, (c)erosion transition zone, (d)erosion center zone

2.3 致密層厚度對(duì)PS-PVD熱障涂層沖刷行為的影響

從前文分析可知PS-PVD熱障涂層沖刷經(jīng)歷了快速?zèng)_刷、中速?zèng)_刷和慢速?zèng)_刷過(guò)程，圖7為PS-PVD熱障涂層和復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層失重量隨耗砂量變化規(guī)律圖。已知等離子噴涂涂層(如Al2O3涂層等)沖刷失重曲線通常為一條單調(diào)線性直線[23,25-27]，表明沖刷過(guò)程中涂層的沖刷速率不變。而從圖7中可見(jiàn)致密層厚度5μm、10μm的復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層都經(jīng)歷了和PS-PVD熱障涂層相同的三個(gè)沖刷階段，致密層厚度為20μm復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層經(jīng)歷了兩個(gè)沖刷階段。當(dāng)厚度為5μm時(shí)，復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層快速?zèng)_刷速率相對(duì)于PS-PVD熱障涂層稍有降低，但中速和慢速?zèng)_刷速度與PS-PVD熱障涂層幾乎一致。結(jié)合沖刷后的宏觀照片，可認(rèn)為5μm致密層對(duì)PS-PVD熱障涂層沖刷性能無(wú)明顯改善；當(dāng)厚度為10μm時(shí)，復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層快速?zèng)_刷速度相對(duì)于PS-PVD熱障涂層有明顯降低，此外中速?zèng)_刷速度也低于厚度5μm復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層，為7.78g/kg，這說(shuō)明部分未被沖刷掉的10μm致密層仍然對(duì)PS-PVD熱障涂層有保護(hù)作用。而進(jìn)入慢速?zèng)_刷階段，厚度10μm與5μm復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層沖刷速率無(wú)明顯差異，這主要是因?yàn)榇藭r(shí)致密層幾乎被沖刷完，均對(duì)涂層無(wú)保護(hù)作用。結(jié)合沖刷后的宏觀圖片，可推測(cè)10μm致密層對(duì)PS-PVD熱障涂層抗沖刷性能有一定改善。若以中速?zèng)_刷速度作為復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層的平均沖刷速率，通過(guò)計(jì)算可知，抗沖刷性能提高了約30%。而當(dāng)厚度增加20μm，復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層初始沖刷速率僅為1.31g/kg，結(jié)合宏觀照片，該速度可認(rèn)為是層狀致密層的沖刷速率，這也說(shuō)明在沖刷4次后致密層仍未被沖破，對(duì)PS-PVD熱障涂層起到完全保護(hù)作用。沖刷5次后沖刷直線斜率有所增加，這是由于致密層被沖破(如圖2(c)所示)，復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層后期沖刷速率為2.81g/kg。該速度和5μm、10μm復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層慢速?zèng)_刷速度相當(dāng)，表明即使20μm致密層被沖破，仍然對(duì)PS-PVD熱障涂層有相當(dāng)好的保護(hù)作用。若以20μm致密層被沖破后的沖刷速率作為該復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層的平均沖刷速率，計(jì)算可知20μm復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層抗沖刷性能相對(duì)于PS-PVD熱障涂層提高了約4倍。

圖7 7YSZ涂層沖刷失重量隨耗砂量的變化規(guī)律Fig.7 The variation law of mass loss of 7YSZ Coating with mass erodent exposure

3 結(jié)論

(1) PS-PVD熱障涂層沖刷過(guò)程先后經(jīng)歷了三個(gè)階段：首先是沙塵對(duì)疏松“菜花狀”頭部的快速?zèng)_刷階段，接著是沙塵對(duì)疏松頭部以下，致密底部以上柱狀結(jié)構(gòu)的中速?zèng)_刷階段。最后未沙塵對(duì)致密底部陶瓷層的慢速?zèng)_刷階段。

(2) 致密層厚度對(duì)PS-PVD熱障涂層抗沖刷性能的提升，隨著致密層厚度的增加而愈加明顯。當(dāng)致密層厚度為5μm時(shí)，對(duì)PS-PVD熱障涂層的整體抗沖刷性能沒(méi)有明顯改善作用，只能降低了初始階段的快速?zèng)_刷速率；當(dāng)致密層厚度為10μm時(shí)，復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層中速階段速率為7.78g/kg，使PS-PVD熱障涂層的抗沖刷性能約提高了30%；當(dāng)致密層厚度為20μm時(shí)，在致密層被沖破后仍然能夠?qū)S-PVD熱障涂層仍起到相當(dāng)好的保護(hù)作用，使PS-PVD熱障涂層抗沖刷性能提高了約4倍。