等離子噴涂熱障涂層組織結構及熱導率研究

王焱，李定駿

(東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000)

等離子噴涂熱障涂層組織結構及熱導率研究

王焱，李定駿

(東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000)

采用掃描電子顯微鏡 （SEM）、激光脈沖等方法研究了204NS和204NS-G粉末對等離子噴涂熱障涂層組織結構及熱導率的影響。結果表明：相比204NS-G粉末，204NS粉末制備的YSZ涂層具有較高的密度和較低的孔隙率。在1 000℃下，204NS粉末制備的YSZ涂層熱導率為0.78W/m·K，比204NS-G粉末制備的YSZ涂層熱導率高約20%。

熱障涂層，等離子噴涂，熱導率

0 引言

熱障涂層被廣泛地應用到燃氣輪機和航空渦輪發(fā)動機部件中，通過降低基體的溫度來保護熱端部件，延長燃氣輪機和發(fā)動機部件壽命[1-3]。典型的熱障涂層系統(tǒng)包括3部分：（1）起到隔熱作用的陶瓷層；（2）主要由Al2O3組成的氧化層（TGO）；（3）起到改善基體和陶瓷層的熱膨脹性能不匹配和抗高溫氧化作用的粘結層。由于Y2O3部分穩(wěn)定的ZrO2（YSZ）具有低的熱導率和高的熱膨脹系數，所以YSZ被廣泛用到熱障涂層的陶瓷層中。

對熱障涂層熱性能特別是熱導率的研究是極為重要的。熱障涂層熱導率的分析是研究涂層隔熱性能的最主要因素，熱障涂層隔熱效果隨著熱導率的減小而增大[4]。熱導率與涂層材料、噴涂工藝等因素有關[5-6]。本文采用大氣等離子噴涂技術制備熱障涂層，研究204NS和204NS-G 2種粉末制備的熱障涂層組織結構和熱導率，為在不同粉末下制備的涂層實際應用提供實驗依據。

1 實驗

1.1 原料及YSZ涂層制備

陶瓷層材料選用型號為204NS與204NS-G的2種8wt%氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯。采用Microtrac S3500型激光粒度儀測定204NS和204NS-G 2種粉末的粒徑分布，粉末粒徑分布如圖1所示。204NS粉末的具體參數為：d0.05=17μm，d0.95=125 μm，d0.5=61μm；而204NS-G粉末的具體參數為：d0.05=23μm，d0.95=130μm，d0.5=67μm。采用Sulze Metco大氣等離子噴涂設備制備上述2種粉末的YSZ涂層，等離子噴涂制備YSZ涂層工藝參數如表1所示。實驗選1Cr18Ni9Ti不銹鋼作為基體，尺寸為Φ12.7×5mm，在端面經噴砂粗化后制備涂層，然后利用HCl+HNO3將基體腐蝕掉，得到單獨的陶瓷層，陶瓷層的厚度約為1mm。

圖1 204NS和204NS-G粉末粒徑分布圖

表1 大氣等離子噴涂制備YSZ涂層工藝參數

1.2 顯微結構分析

采用掃描電子顯微 （VEGA II-XMU,TESCAN, Czech）觀察YSZ涂層的組織形貌。

1.3 熱導率

涂層熱導率是采用一種間接的方法得到的，首先測試涂層的熱擴散系數，然后測試涂層的定壓比熱容和密度，最后利用式（1）求得涂層的熱導率。

熱擴散率的測試中，涂層的熱擴散系數α采用激光脈沖（Laser Flash）的方法進行測量[7]，儀器型號為NETZSCH LFA 427。測量時，通過能量脈沖束給試樣的一側升溫，然后記錄試樣另一側的溫度達到最高溫度一半時所對應的時間，從而熱擴散系數可以通過式（2）進行計算。

式中：L是試樣的厚度；t1/2是試樣背面達到最大溫度一半時對應的時間。

根據Neumann-Kopp定律[8]，YSZ涂層的比熱容Cp可由其組元的比熱容計算得到，Y2O3，ZrO2的比熱容可以查閱熱力學手冊[9]，具體計算見式（3）。

式中：T為溫度；a，b，c為常數，Y2O3的常數分別為123.846，5.021，-20，ZrO2常數分別為69.622，7.531，-14.058。

涂層的密度根據Archimedes原理測量[10]，見式（4）。

式中：ρ為涂層的密度；Wair為干燥樣品在空氣中的重量；Wˊair為樣品被水飽和后在空氣中的重量；Wwater為樣品在水中飽和后的重量。

2 實驗結果及討論

2.1 組織結構

圖2 YSZ涂層表面形貌圖

圖2 給出了2種粉末制備YSZ涂層的表面形貌圖。從圖中可以看出，涂層由扁平顆粒堆積構成，其表面具有一定的粗糙度。扁平顆粒中存在垂直于涂層表面的縱向裂紋，這是由于顆?？焖倮鋮s中產生的收縮拉應力超過材料抗拉強度所產生的裂紋，這些裂紋有助于緩解涂層內的殘余應力[11]。從表面熔融狀態(tài)以及表面裂紋來看，204NS粉末制備的涂層表面熔融情況較好，裂紋較少，這是由于204NS粉末相對204NS-G粉末粒度范圍較窄，在相同噴涂參數下，204NS粉末的熔融狀態(tài)較好。

圖3 YSZ涂層斷裂形貌圖

圖3 為YSZ涂層的斷裂面形貌圖?？梢钥闯?種涂層內部都由顆粒狀和層狀結構構成，同時還存有橫向裂紋、縱向裂紋和孔。橫向裂紋一般是由于顆粒在沉積過程中上下兩層未完全結合造成的，因此，橫向裂紋都存在于相鄰兩層之間的未結合界面?？v向裂紋的產生如上所述，由于熔融顆粒在沉積過程中急速冷卻所形成的熱應力釋放所造成的。涂層中的孔是由于噴涂過程中顆粒內部的氣體或者處于熔融顆粒之間的氣體來不及析出造成的，或在沉積過程中熔融顆粒之間的不完全搭接造成的[12]。相比較而言，204NS粉末制備的涂層大顆粒多，熔融情況好，涂層致密。

圖4 YSZ涂層截面形貌圖

圖4 為2種YSZ涂層的截面形貌圖。從圖中可以看出，涂層均呈現多孔層狀結構且有明顯的橫向裂紋和縱向裂紋。圖中橢圓表示未完全熔化的YSZ團聚粉末區(qū)，箭頭所指的位置表示涂層中的孔，204NS粉末制備的涂層未完全熔化區(qū)面積較小且大孔較少。表2給出了2種YSZ涂層的密度和孔隙率，從表中可以看出，204NS粉末制備的涂層具有較高的密度和較低的孔隙率?？偟膩碚f，204NS粉末制備的YSZ涂層致密。

表2 YSZ涂層密度及孔隙率

2.2 熱導率

表3給出了8wt%YSZ涂層在不同溫度下的理論比熱容。2種涂層的熱擴散系數和熱導率隨溫度變化曲線如圖5所示。由圖5可知，每種涂層的熱擴散系數和熱導率的變化趨勢相似，都隨著溫度的上升先降低后增加。相比較而言，在600℃以后，204NS粉末制備的涂層的熱擴散系數和熱導率增加幅度較大。開始階段，涂層的熱導率主要受到生子散射的影響，隨著溫度的升高，涂層的熱導率逐漸降低，高溫時，涂層受到生子散射的影響降低，熱輻射影響加重，光子導熱貢獻明顯增大，使得涂層在600℃以后熱導率增加[13]。在1 000℃下，204NS制備的涂層熱導率為0.78 W/ m·K，比 204NS-G制備的涂層熱導率高約20%。涂層中的氣孔能夠引起生子的散射，并且孔內的氣體熱導率很低，因此，氣孔能夠降低涂層的熱導率[13]。相比204NS-G，204NS粉末制備的涂層孔隙率低，對生子的散射相對較弱，204NS粉末制備的涂層熱導率相對較高。

表3 不同溫度下8w t%YSZ涂層比熱容理論值

圖5 YSZ涂層熱擴散系數和熱導率的變化趨勢

3 結論

（1）在相同噴涂參數下，204NS粉末制備的YSZ涂層比204NS-G粉末制備的YSZ涂層具有較高的密度和較低的孔隙率；

（2）在相同噴涂參數下，204NS粉末和204NSG粉末制備的YSZ涂層的熱導率都隨著溫度的升高先降低后升高。在 1 000℃下，204NS制備的YSZ涂層熱導率為0.78W/m·K，比204NS-G制備的YSZ涂層熱導率高約20%。

[1]Gow ard G W.Progress in coatings for gas turbine airfoils[J]. Surface and Coatings Technology,1998,108-109:73-79

[2]Beele W,Marijnissen G,van Lieshout A.The evolution of thermal barrier coatings-status and upcoming solutions for today's key issues [J].Surface and Coatings Technology, 1999,120-121:61-67

[3]Padture N P,GellM,Jordan E H.Thermal barrier coatings for gas-turbine engine applications[J].Science,2002,296: 280-284

[4]宮聲凱,鄧亮,畢曉芳,等.陶瓷熱障涂層的隔熱效果研究[J].航空學報,2000,21（Z1）:25-29

[5]Liu Huaifei,Li Songlin,LiQilian,etal.M icrosructure,phase stability and thermal conductivity of plasma sprayed Yb2O3, Y2O3Co-stabilized Z rO2coatings[J].Solid State Science, 2011,13:513-519

[6]W ang Yongzhe,Wu W ei,Zheng Xuebin,et al.Relationship between themicrostructure and thermal conductivity of plasma-sprayed ZrO2coatings[J].Journal of Thermal Spray Technology,2011,3:365-374

[7]Sechenov D.A.,Svetlichnyi A.M.,K lovo A.G.,et al. Optim ization of the construction of the reaction chamber on temperature distribution in a sem iconductor plate on heating by incoherent radiation[J].Journal of Engineering Physics and Thermophysics,60(1):112-116

[8]Leitner J.,Chuchvalec P.,Sedm idubsky D.,et al.Estimation of heat capacitiesof solid mixed oxides[J].Thermochim Acta,2003,395(1):27-46

[9]Liang Y.J.,Che Y.C.,Liu X.X..M anual of practical inorganicmatter thermodynam ics[J].Shenyang:Northeastern U-niversity Press,1993

[10]Piddock V..Effect of A lum ina concentration on the thermal diffusivity of dental porcelain[J].Journal of Dentistry,1989, 17(6):290-294

[11]LiC.-J,Ohmori A.Relationship between them icrostructure and propertiesof thermally sprayed deposits[J].Journal of Thermal Spray Technology,2002,11:365-374

[12]張紅松,魏媛,陳曉鴿.等離子噴涂Z rO2納米熱障涂層及熱導率[J].自然科學報,2008,20(1):40-43

[13]周洪,李飛,何博,等.等離子噴涂熱障涂層的隔熱性分析[J].中國有色金屬學報,2007(10):1609-1615

Microstructure and ThermalConductivity of Plasma Sprayed Thermal Barrier Coatings

Wang Yan， Li Dingjun
（Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

Effect of 204NS powder and 204NS-G powder on m icrostructure and thermal conductivity of p lasma sprayed thermal barrier coatings was investigated by SEM and laser flash.It was found that 204NS coatings had higher density and lower porosity than 204NS-G coatings.At 1 100℃,the thermal conductivity of 204NS coatings was 0.78 W/m·K that was 20%higher than 204NS-G coatings.

thermal barrier coatings,p lasma spraying,thermal conductivity

TG174

：A

：1674-9987（2014）03-0075-04

王焱 （1964-），男，高級工程師，1984年畢業(yè)于重慶大學材料科學工程專業(yè)，現主要從事表面工程技術及新能源技術相關工作。