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1.熱障涂層簡介
熱障涂層又稱隔熱或絕熱涂層（Thermal Barrier Coatings，英文簡稱TBC或TBCs），是指可以為零件提供有效隔熱、抗氧化和耐腐蝕作用，在高溫燃?xì)夂土慵w金屬之間產(chǎn)生很大的溫降，從而達(dá)到延長熱機(jī)零件壽命、降低冷卻要求以及提高熱機(jī)熱效率的涂層系統(tǒng)?；舅悸肥窃诮饘倩w表面噴涂一種熱導(dǎo)率或熱擴(kuò)散率非常低的涂層，要求該涂層在高溫?zé)崃鳝h(huán)境中工作時能夠承受很大的溫度梯度。
TBC的研究始于20世紀(jì)40年代，60年代后期開始用于JT8D發(fā)動機(jī)燃燒室，后來又用于JT9D發(fā)動機(jī)，在JT9D發(fā)動機(jī)的導(dǎo)向葉片和一、二級渦輪葉片的地面耐久性試驗表明：具有TBC的一級葉片歷經(jīng)2778次循環(huán)仍處于良好狀態(tài)，而無TBC的葉片，經(jīng)過1500次循環(huán)后，葉片緣板就產(chǎn)生了明顯破壞。美國ＧＥ公司采用改進(jìn)的等離子噴涂TBC，已使燃燒室的總壽命超過30000ｈ。
TBC通常由金屬粘結(jié)底層和陶瓷面層組成，金屬粘結(jié)底層的主要作用是將陶瓷面層牢固地粘結(jié)在基體金屬上，陶瓷面層則主要起隔熱和抗腐蝕作用，要求具有低的蒸氣壓、低熱導(dǎo)率、低的熱輻射率和高的熱發(fā)射率以及良好的耐熱疲勞能力或抗熱沖擊能力。
計算結(jié)果表明，采用0.25mm厚的氧化鋯熱障涂層，就可以使基體金屬溫度降低170℃左右，該值比在1965-1985年之間的20年中由于人類的不斷努力而使葉型合金承溫能力所得到的累積增量還要大。
TBC的應(yīng)用已經(jīng)取得了非常顯著的效果，不僅降低了制造成本和比油耗，減少了對冷卻空氣量的要求，還提高了葉片工作的持久性。據(jù)報道，在航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的一級渦輪葉片上噴涂一層厚度為0.25mm的陶瓷熱障涂層，就可使冷卻空氣量減少6%，比油耗改善13%，葉片壽命提高4倍。因此，TBC技術(shù)已廣泛應(yīng)用于多個工業(yè)領(lǐng)域以提高熱效率，如各種燃?xì)廨啓C(jī)和內(nèi)燃機(jī)，在美國，許多航空發(fā)動機(jī)和幾乎所有的陸用和船用燃?xì)廨啓C(jī)的熱端部件（包括火焰筒、旋流器、加力燃燒室、魚鱗板、燃料噴嘴、排氣管、點火板、燃燒室管路、火焰穩(wěn)定器、渦輪葉片等）也都采用了TBC技術(shù)，每年約有幾百噸的氧化鋯材料用在TBC上，并且其應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。據(jù)美國Gorham先進(jìn)材料研究所的研究表明，未來TBC在柴油機(jī)中的應(yīng)用比例將會超過飛機(jī)工業(yè)。此外，TBC在汽車、摩托車上的應(yīng)用也在不斷擴(kuò)大。而在瑞典，僅沃爾沃航空公司的一個分廠1997年就消耗了近10噸氧化鋯，與1995年相比，其消耗量翻了一番。
隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，航天、航空、燃?xì)獍l(fā)電、化工和冶金等眾多領(lǐng)域促進(jìn)了熱障涂層的研究與發(fā)展?，F(xiàn)今TBCｓ的應(yīng)用是非常廣泛的。高爐的送風(fēng)口和出渣口要在1100-1450℃下經(jīng)受高速煤粉的沖刷和鐵水的溶蝕，而應(yīng)用TBC作為耐熱防護(hù)涂層，則可使其使用壽命顯著提高；應(yīng)用TBC的新型霧化金屬噴嘴具有極佳的抗腐蝕和抗熱震性能，工作壽命長且對于保證超細(xì)粉末質(zhì)量有顯著作用；在汽車工業(yè)方面，發(fā)動機(jī)進(jìn)出氣口采用TBC的閥座可降低該部件的損耗；TBC也多用于以輕金屬鋁合金為基體材料的活塞式氣缸頂部和邊緣。一些專家預(yù)測，在未來10年，TBC將會用到更加廣闊的領(lǐng)域。
熱障涂層在技術(shù)上無疑具有很大的潛力和良好的發(fā)展前景，但也存在一些有待進(jìn)一步改進(jìn)的問題，主要有涂層附著力的控制、涂層失效機(jī)理的研究和涂層性能測定等，其中， 涂層附著力的控制是最為重要的問題。涂層的附著力，亦稱涂層的粘結(jié)強(qiáng)度或結(jié)合強(qiáng)度，是直接影響涂層使用性能的關(guān)鍵質(zhì)量指標(biāo)。涂層剝落是零件最主要的破壞形式，也是影響熱障涂層在燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)上擴(kuò)大應(yīng)用的主要因素。導(dǎo)致涂層剝落的主要原因，一是粘結(jié)底層氧化；二是基體金屬與陶瓷涂層熱膨脹系數(shù)之間的差別，兩者之間存在著明顯的應(yīng)變不匹配。熱障涂層的發(fā)展過程，就是對這兩方面的問題進(jìn)行不斷改進(jìn)和提高的過程。
2．熱障涂層設(shè)計
熱障涂層的設(shè)計包括涂層成分選擇、涂層結(jié)構(gòu)設(shè)計及噴涂方法選擇等。
（1）成分選擇。
1）粘結(jié)底層。典型的粘結(jié)底層材料為MCrAlX合金，其中，M是粘結(jié)底層基本構(gòu)成元素，一般為鐵族元素或高熔點金屬元素以及這些元素的組合，例如，Ni、Co、Fe、Ni-Co、Ni-Fe等；Ｘ表示活性金屬，是為了增加結(jié)合強(qiáng)度和提高涂層抗氧化性能而添加的元素，包括：Y、Hf、Sc、Ce、La、Th等較活潑的元素，最常用的是Y。
采用滲鋁工藝在粘結(jié)底層表面制備富鋁層，可以降低粘結(jié)底層的氧化速率，提高TBC使用壽命；在CoNiCrAlY中添加Re、Ta可以顯著改善粘結(jié)底層的抗氧化性能和力學(xué)特性。
2）陶瓷面層。目前，TBC涂層中的陶瓷面層主要為完全穩(wěn)定或部分穩(wěn)定的氧化鋯陶瓷。由于純氧化鋯晶體隨溫度變化存在不同的晶體類型，當(dāng)溫度超過1000℃時，會發(fā)生單斜晶體向四方晶體的轉(zhuǎn)化，并伴隨有7%的體積變化，而在隨后的冷卻過程中，單斜晶體結(jié)構(gòu)會得到恢復(fù)，而體積卻不能回復(fù)到原來狀態(tài)，即體積在加熱冷卻前后會發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)變，這種晶型轉(zhuǎn)變和體積變化，在遭受熱循環(huán)條件下，涂層內(nèi)部會產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，從而造成涂層早期開裂，甚至發(fā)生剝落失效。因此，需要在純ZrO2晶體中添加穩(wěn)定劑。
在純ZrO2晶體中添加穩(wěn)定劑后，經(jīng)燒結(jié)或熔融處理形成固溶體，獲得在熔點以下整個溫度范圍內(nèi)都穩(wěn)定的、膨脹系數(shù)很低的立方型穩(wěn)定ZrO2。但是，在高溫下，雖然全穩(wěn)定化立方晶ZrO2的膨脹和收縮是可擬的，但其線膨脹和收縮量都很大，對于提高抗熱震壽命并不利，因此，通常采用由單斜晶體和立方晶體混合結(jié)構(gòu)組成的部分穩(wěn)定氧化鋯，這種晶型結(jié)構(gòu)在高溫下，單斜晶體部分會發(fā)生體積收縮相變，而立方晶體部分則隨溫度升高發(fā)生體積膨脹，兩種變化相互抑制，從而使部分穩(wěn)定ZrO2具有比完全穩(wěn)定ZrO2更低的平均熱膨脹系數(shù)，具有更好的抗熱震性能。
在氧化鋯中添加的穩(wěn)定劑包括氧化鈣（CaO）、氧化鎂(MgO)、氧化釔(Y2O3)和氧化鈰(CeO)等。其中，CaO穩(wěn)定劑的加入量有5%、6%、8%、10%、15%和30%，隨著CaO含量的增加，涂層的硬度增加。CaO含量高達(dá)30%的涂層，硬度相當(dāng)高，具有很好的抗高溫顆粒沖蝕性能。但是，CaO穩(wěn)定的ZrO2涂層，若長期或周期性地暴露于1093℃以上的高溫環(huán)境中，CaO有擴(kuò)散出穩(wěn)定化ZrO2晶體之外的傾向，導(dǎo)致涂層使用溫度受到限制，只能在845℃以上、1093℃以下的高溫環(huán)境中長期使用，超過1093℃以上只能短期使用。MgO穩(wěn)定劑的加入量通常為20-30%時，此時，ZrO2在不同溫度下，特別是在高溫?zé)嵫h(huán)時能保持晶型穩(wěn)定。MgO穩(wěn)定的ZrO2，在1400℃以下，其平衡組織為四方相或單斜相加MgO，在熱循環(huán)過程中，MgO會從固溶體中析出，導(dǎo)致涂層熱導(dǎo)率增加，隔熱能力下降，廣泛應(yīng)用受到限制。而Y2O3部分穩(wěn)定的ZrO2，在高達(dá)1650℃下長期使用時，Y2O3也不會象CaO那樣向晶體外擴(kuò)散，其化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性均優(yōu)于CaO部分穩(wěn)定的ZrO2和MaO部分穩(wěn)定的ZrO2，是一種性能優(yōu)異的使用溫度最高的熱障涂層材料。其添加量有6-8%、13%和20%，前兩種是部分穩(wěn)定ZrO2，后一種是完全穩(wěn)定ZrO2，對熱障涂層來講，部分穩(wěn)定的氧化鋯具有更好的抗熱震性能，因此，6-8%氧化釔部分穩(wěn)定的氧化鋯就成為熱障涂層中陶瓷面層的首選材料。
近年來，關(guān)于Y2O3、Nd2O3、Sc2O3等部分穩(wěn)定劑(PSZ)的研究發(fā)現(xiàn)：在快速冷卻條件下，在ZrO2陶瓷層中存在部分或全部“非轉(zhuǎn)變”的四方相t′，盡管仍為介穩(wěn)相，但在1100-1200℃高溫循環(huán)條件下不分解為平衡的四方相和立方相。而6-8%Y2O3-ZrO2(YSZ)涂層則在1100-1200℃下，t′相不發(fā)生分解。在CeO-Y2O3-ZrO2中，t′相的穩(wěn)定性優(yōu)于8%YSZ，但抵抗含V、S等腐蝕介質(zhì)燃?xì)獾男阅茌^差，而Sc2O3-Y2O3-ZrO2(SYSZ)具有高溫下(1400℃)更高的t′相穩(wěn)定性和抗熱鹽腐蝕能力。
（2）涂層結(jié)構(gòu)設(shè)計。熱障涂層結(jié)構(gòu)主要為雙層結(jié)構(gòu)、多層結(jié)構(gòu)和梯度結(jié)構(gòu)三種。
雙層結(jié)構(gòu)由噴涂在高溫合金基材上的陶瓷面層(多為ZrO2基陶瓷)和粘結(jié)底層(多為MCrAlY型)構(gòu)成，陶瓷面層主要起隔熱抗氧化作用；粘結(jié)底層主要起增加陶瓷面層與基體的結(jié)合力、提高熱膨脹系數(shù)匹配容限以及抗氧化等作用。雙層結(jié)構(gòu)熱障涂層由于結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(xiàn)，是目前獲得廣泛實際應(yīng)用的熱障涂層。
多層結(jié)構(gòu)主要是為了減小陶瓷面層和金屬粘結(jié)底層之間的熱膨脹不匹配性而在兩者之間加入中間層，或是為了進(jìn)一步提高熱障涂層的抗氧化性能，在陶瓷面層和金屬粘結(jié)底層之間添加一薄Al2O3層，但該層的加入對熱震性能改善不大，且工藝復(fù)雜，涂層重復(fù)性、可靠性略差。
梯度結(jié)構(gòu)熱障涂層是指從金屬粘結(jié)底層到陶瓷面層之間的化學(xué)成分、顯微組織結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能制備成沿涂層厚度方向呈梯度連續(xù)變化。該結(jié)構(gòu)提高了涂層與基體的粘結(jié)強(qiáng)度和涂層的內(nèi)聚強(qiáng)度，具有理想涂層設(shè)計的高溫性能，抗熱震性能優(yōu)于雙層涂層，但在實際制備中獲得的是多層階梯狀結(jié)構(gòu)，且制備技術(shù)復(fù)雜，仍處于實驗室設(shè)計研究階段。
（3）噴涂方法選擇。由于ZrO2陶瓷材料的熔點較高(2760℃)，熱導(dǎo)率低(約為1.0-2.0W/mK)，在第二章所述的熱噴涂工藝方法中，除電弧噴涂、冷氣動力噴涂、高速火焰噴涂、氧乙炔火焰重熔和中頻感應(yīng)重熔技術(shù)以及等離子噴焊工藝方法不能用于制備ZrO2陶瓷涂層外，其它熱噴涂工藝方法均可以用來制備。
但是，隨著涂層性能要求的提高，熱障涂層的制備基本以等離子噴涂方法為主。但在實際應(yīng)用中，或受限于條件，或為了降低成本，保證性能，常采用不同的熱噴涂工藝方法。根據(jù)制備熱障涂層運用單一設(shè)備還是多種設(shè)備，可將熱障涂層制備工藝分為單一制備工藝和復(fù)合制備工藝兩種。
單一制備工藝是指熱障涂層粘結(jié)底層和ZrO2陶瓷面層采用同一種噴涂方法進(jìn)行制備的工藝，包括：大氣等離子噴涂工藝、低壓等離子噴涂工藝、真空等離子噴涂工藝、爆炸噴涂工藝、高速等離子噴涂工藝等。
復(fù)合制備工藝是指熱障涂層粘結(jié)底層和ZrO2陶瓷面層分別采用不同的噴涂方法進(jìn)行制備的工藝，包括：①真空+大氣等離子復(fù)合噴涂工藝，熱障涂層粘結(jié)底層采用真空等離子噴涂工藝制備，而ZrO2陶瓷面層采用大氣等離子噴涂工藝制備；②高速火焰+大氣等離子復(fù)合噴涂工藝，熱障涂層粘結(jié)底層采用高速火焰噴涂，ZrO2面層采用大氣等離子噴涂；③高速火焰+高速等離子復(fù)合噴涂工藝，粘結(jié)底層采用高速火焰噴涂，ZrO2面層采用高速等離子噴涂等。
為解決等離子噴涂TBC存在的高氣孔率和裂紋引起的抗氧化性和涂層壽命降低的問題，國內(nèi)外針對激光制備TBC方法在激光表面重熔和激光熔覆兩個不同的領(lǐng)域開展了廣泛的應(yīng)用探索研究。激光法制備TBC工藝有兩種，即激光一次熔覆法和激光二次熔覆法。激光一次熔覆法制備TBC屬于新領(lǐng)域，近十年才有研究報導(dǎo)。主要有預(yù)置法和送粉法。預(yù)置法是將部分穩(wěn)定的YPSZ與Ni基復(fù)合粉，預(yù)置在基材上，再采用CO2激光熔覆，獲得分層結(jié)構(gòu)的復(fù)合涂層，表面為致密的ZrO2陶瓷層，其下為Ni基合金過渡層，ZrO2陶瓷層的上部為等軸晶，中下部為柱狀晶，主要由t′相組成。送粉法是采用送粉裝置將部分穩(wěn)定的YPSZ與合金復(fù)合粉送入激光照射區(qū)域，利用激光將其熔覆在基材上，獲得了自動分層的陶瓷層區(qū)域，均為柱狀晶組織，且基本由t′相組成。激光二次熔覆法是指首先在基體表面采用等離子噴涂ZrO2陶瓷層后再對其進(jìn)行激光熔覆處理的工藝，采用該工藝可以獲得表面光滑、連續(xù)、致密、無裂紋和孔隙等缺陷的陶瓷熔覆層，避免了送粉法激光熔覆工藝無法解決的裂紋問題。陶瓷熔覆層的組織為柱狀晶，其生長方向與基體垂直。激光二次熔覆法為制備高性能低成本TBC提供了可行途徑，但尚處于初步研究階段，高溫性能試驗為空白，熔覆工藝參數(shù)、涂層分層組織、成分、形態(tài)、內(nèi)外成型質(zhì)量以及高溫性能等對涂層壽命的影響還有待進(jìn)一步深入研究。
近年來，采用電子束物理氣相沉積(ＥＢ-ＰＶＤ)法制備具有高抗熱震性能的TBC引起人們的關(guān)注。關(guān)于ＥＢ-ＰＶＤ熱障涂層的研究始于20世紀(jì)70年代，美國普惠公司于80年代取得突破，隨后，該技術(shù)在德國等國也獲得了成功應(yīng)用。ＥＢ-ＰＶＤ熱障涂層是采用高能電子束加熱并氣化陶瓷源，形成陶瓷蒸氣，再以原子為單位沉積到基體上而形成的，其涂層組織為垂直于基體表面的柱狀組織，柱體與基體之間呈冶金結(jié)合，穩(wěn)定性很好。在高溫環(huán)境中，柱與柱之間可以分開以緩解由于熱膨脹系數(shù)的差異而造成的熱應(yīng)力，從而大幅度提高涂層熱疲勞抗力。研究表明，在ZrO2陶瓷和粘結(jié)底層之間發(fā)現(xiàn)有Al2O3區(qū)形成，該區(qū)的存在有利于提高熱障涂層的抗氧化性。此外，采用ＥＢ-ＰＶＤ制備的熱障涂層，表面光滑，可復(fù)現(xiàn)原底層粗糙度，無需再加工，可減少燃?xì)庾枇?，提高涂層使用壽命，且工藝參?shù)比等離子噴涂易于控制，但是，ＥＢ-ＰＶＤ工藝也存在涂層隔熱能力較低、涂層厚度不可控、表面清洗復(fù)雜、設(shè)備復(fù)雜昂貴、沉積速率相對較低、工藝流程繁瑣等缺點，這些都是非常需要研究改進(jìn)的。
鑒于等離子噴涂法制備的TBC和ＥＢ-ＰＶＤ法制備的TBC之間存在的較大差別，有人將采用等離子噴涂法制備的TBC稱為第一代TBC，采用ＥＢ-ＰＶＤ法制備的TBC稱為第二代TBC。
3．熱障涂層制備
制備TBC最成熟、應(yīng)用最多的工藝方法是等離子噴涂法。除生產(chǎn)效率高、成本較低外，涂層隔熱效果好也是它很突出的優(yōu)點，因此，國內(nèi)外仍在對該方法進(jìn)行不斷改進(jìn)與發(fā)展。本文僅對大氣等離子噴涂法制備TBC進(jìn)行較詳細(xì)闡述。
在等離子噴涂制備熱障涂層過程中，影響涂層質(zhì)量的工藝參數(shù)很多，甚至有人說要超過100個，因此，在進(jìn)行熱障涂層制備時，嚴(yán)格控制各個環(huán)節(jié)，對所涉及的工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化是非常必要的，經(jīng)過反復(fù)的工藝優(yōu)化和涂層性能考核研究，最終以實際應(yīng)用考核為準(zhǔn)，確定制備熱障涂層的工藝，一經(jīng)確定，要嚴(yán)格執(zhí)行。在實施過程中，應(yīng)注意以下環(huán)節(jié)。
（1) 嚴(yán)格控制噴涂粉末質(zhì)量。選用高質(zhì)量的噴涂粉末是制備高質(zhì)量、性能穩(wěn)定熱障涂層的基礎(chǔ)。因此，在實施噴涂前，要對粉末的質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格檢驗，內(nèi)容涉及以下幾個方面：①粉末成分；②制備方法；③粉末形態(tài)；④流動性；⑤松裝密度；⑥粒徑大?。虎吡６确植?；⑧批次均勻穩(wěn)定性。當(dāng)粉末供應(yīng)商確定以后，在上述8個環(huán)節(jié)中，可只對③~⑦的5個環(huán)節(jié)進(jìn)行控制。以下例子可說明噴涂粉末對熱障涂層質(zhì)量的重要性。
Wigren等采用完全相同的噴涂參數(shù)對兩種同樣規(guī)格但粉末形態(tài)不同的空心球化團(tuán)聚燒結(jié)ZrO2粉涂層顯微組織進(jìn)行了比較，結(jié)果顯示，涂層微觀結(jié)構(gòu)差別較大，這兩種涂層在1100℃測得的熱導(dǎo)率分別為0.6W/mK和0.4W/mK，充分說明了噴涂粉末對涂層微觀結(jié)構(gòu)及性能的影響。Wigren等還針對2種團(tuán)聚燒結(jié)粉、1種空心球化粉、1種燒結(jié)破碎粉和2種溶膠凝膠粉，分別采用5種不同的參數(shù)進(jìn)行了噴涂研究，熱震試驗結(jié)果表明，涂層的抗熱沖擊次數(shù)存在明顯不同。
（2) 嚴(yán)格控制噴涂參數(shù)。用作熱障涂層面層的ZrO2材料具有熔點高、熱導(dǎo)率低的特點，進(jìn)行等離子噴涂時必需輸入較大的功率才能保證粉末的熔化狀態(tài)，但等離子噴涂涉及的各項參數(shù)必須恰當(dāng)匹配，下面介紹幾個主要工藝參數(shù)。
1）電參數(shù)要與設(shè)備相匹配。噴槍是完成等離子噴涂過程的核心設(shè)備之一。不同型號的噴槍具有自身的特點及要求，因此，在設(shè)定電參數(shù)時要滿足所用設(shè)備的要求。相對而言，普萊克斯SG100型噴槍的工作模式屬于高電流低電壓，而美科7M/9M型噴槍的工作模式屬于低
電流高電壓。在噴涂ZrO2類粉末時，SG100型噴槍的電流設(shè)置在800-900A、電壓設(shè)置在40V左右；而7M/9M型噴槍的電流設(shè)置在600A、電壓設(shè)置在80V左右。如果電壓不在上述范圍，應(yīng)通過調(diào)節(jié)輔氣流量來達(dá)到，此時，應(yīng)注意輔氣流量不能超過一定限度。假如將輔氣調(diào)至最大限度流量，仍不能達(dá)到所需要的電壓，則應(yīng)停止噴涂，仔細(xì)檢查噴槍配置，看噴嘴和電極是否遭到損壞、流量計與噴槍之間的氣體輸送管路是否存在泄露現(xiàn)象。
2）等離子氣體的選擇。等離子噴涂所用氣體分兩種，一種稱為主氣，壓力較大，流量較高，主要是Ar氣、N2氣；另一種稱為輔氣，壓力較小，流量較低，主要是H2氣、He氣。在這四種等離子氣體中，主氣N2和輔氣H2是雙原子分子，在高溫下，要首先發(fā)生離解，變?yōu)閱卧?，其離解能分別為9.76eV和4.477eV，然后再發(fā)生電離，形成正離子和自由電子。H、N、Ar和He四種原子的電離能分別為13.595eV、14.54eV、15.755eV和24.58eV。因此，主氣N2產(chǎn)生的等離子體熱焓高、傳熱快，利于粉末加熱和熔化；主氣Ar產(chǎn)生的等離子體熱焓相對較低，但產(chǎn)生的等離子弧穩(wěn)定，易于點燃，弧焰較短，適于小件和薄壁件噴涂。輔氣H2產(chǎn)生的等離子體焓值比He氣要高。
在實際噴涂ZrO2熱障涂層時，選擇怎樣的主氣和輔氣搭配還與噴槍型號有關(guān)。普萊克斯SG100噴槍提倡采用主氣Ar、輔氣He作為等離子氣體；而美科7M/9M型噴槍則通常采用主氣N2、輔氣H2作為等離子氣體，但要注意與N2氣氣體分配環(huán)相匹配。
此外，等離子氣體的流量大小也是很重要的工藝參數(shù)，它直接影響到等離子焰流的熱焓和流速，繼而影響噴涂效率、涂層孔隙率和涂層結(jié)合強(qiáng)度大小。在一定的功率下，存在一個最佳的氣體流量值。氣量過大，離子濃度減少，氣體原子或分子會吸收等離子焰流的熱量，從而冷卻等離子焰流，使熱焓和溫度都降低，導(dǎo)致粉末熔化不充分，噴涂效率降低，涂層組織疏松，孔隙率增加；反之，氣量過小，會將使焰流軟弱無力，導(dǎo)致粉末粒子溫度和速度都下降，容易引起噴嘴和陰極燒損。
因此，必須針對ZrO2粉末的特性進(jìn)行優(yōu)化，找到滿足涂層性能要求的等離子氣體流量值。
3）送粉參數(shù)。送粉參數(shù)主要包括送粉位置(內(nèi)送，外送，距噴槍軸線的距離)、送粉嘴配置(幾號送粉嘴)、送粉角度(垂直、內(nèi)傾、外傾)、載氣流量以及送粉速率等。當(dāng)噴涂粉末確定之后，主要調(diào)節(jié)載氣流量和送粉速率兩個參量。
載氣流量要與工作氣體流量相適應(yīng)，一般為工作氣體的10-20%左右，其調(diào)節(jié)原則是能將ZrO2粉末送入焰心為準(zhǔn)。
送粉速率和粉末進(jìn)入弧中的位置是影響涂層結(jié)構(gòu)和噴涂效率的重要參數(shù)。噴涂粉末只有送至焰心位置，即焰流溫度、速度最高處，才能使其獲得最好的加熱和最高的速度。送粉速率必須與輸入功率水平相適應(yīng)，送粉速率過大，會導(dǎo)致粉末熔化不充分，造成夾生、層片黏結(jié)狀況不佳；送粉速率過少，則會降低噴涂效率，并可能造成基體過熱。
4）噴涂距離和噴涂角度。噴涂距離是指沿焰流軸線噴槍出口離工件表面的垂直距離。噴距太小，會使基體溫升過高，在基體與熱障涂層之間產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，從而影響涂層性能。噴距過大時，ZrO2粒子碰撞基體時的溫度和速度都下降，涂層結(jié)合力、沉積效率會降低，同時氣孔率增加。在基體溫度允許的情況下，可適當(dāng)減小噴涂距離。
采用DPV-2000熱噴涂在線檢測儀測量了氧化鋯粒子的溫度和速度隨噴涂距離的變化， ZrO2粒子的溫度隨噴涂距離的增加而逐漸下降。剛離開噴嘴60mm時，粒子的平均溫度高達(dá)近3000℃，高于ZrO2的熔點溫度（約2700℃），這表明粒子有一定程度的熔融。隨著噴涂距離的增大，ZrO2粒子溫度逐漸減小，當(dāng)噴涂距離為80mm時，粒子的溫度下降至2700℃左右。ZrO2粒子的飛行速度隨噴涂距離的改變呈高斯分布特征，并且峰值出現(xiàn)在噴涂距離80mm左右。因此，綜合考慮ZrO2粒子的溫度和速度，在所選定的噴涂工藝條件下，噴涂距離選擇80mm是合適的。
噴涂角度是指焰流軸線與被噴涂表面之間的角度。在實施噴涂時，應(yīng)盡可能保持噴涂角為90。當(dāng)噴涂角小于45時，會產(chǎn)生“遮蔽效應(yīng)”，導(dǎo)致涂層孔隙率增加，使涂層變得疏松。
5）噴槍與工件的相對移動速度。在一定送粉速率條件下，噴槍與工件的相對移動速度（簡稱移槍速度）意味著單位時間內(nèi)噴槍所掃過面積多少或每次噴涂層的厚薄，所以對移槍速度的控制實際是對每次噴涂層厚度的控制，而每層的厚度會影響涂層的殘余應(yīng)力，隨其厚度的減薄可明顯減小殘余應(yīng)力。此外，移槍速度還對基體溫度有影響。 對ZrO2熱障涂層來講，噴涂工件時，一般應(yīng)控制噴槍每掃過一遍的厚度要小于25μm。
（3) 控制基體溫度?；w溫度是等離子噴涂重要工藝參數(shù)之一。研究發(fā)現(xiàn)，在不同基體材料上噴涂ZrO2涂層時，存在不同的臨界轉(zhuǎn)變溫度，當(dāng)基體溫度低于該臨界轉(zhuǎn)變溫度時，單個ZrO2粒子與基體膨脹冷卻后呈濺射狀，如圖所示；隨基體溫度升高，濺射程度減小，當(dāng)基體溫度高于臨界轉(zhuǎn)變溫度時，單個ZrO2粒子的變形呈圓餅狀，如圖所示。單個ZrO2粒子所具有的不同變形狀態(tài)，對涂層顯微組織影響很大。
基體溫度對ZrO2變形粒子形態(tài)的影響
雖然提高基體溫度對提高ZrO2粒子之間的結(jié)合有利，但當(dāng)采用大氣等離子噴涂時，過高的基體溫度不僅會導(dǎo)致基體氧化加劇，而且會導(dǎo)致涂層內(nèi)部熱應(yīng)力增加，加大涂層開裂與剝落傾向。通常基體預(yù)熱溫度為95-120℃。但要注意，對鎂基材來講，由于鎂氧化太快，噴涂前不應(yīng)預(yù)熱，否則，會影響涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度；對于鋁基材，只能預(yù)熱至65-95℃，為避免氧化，可從基體背面或側(cè)面預(yù)熱，最好不直接對噴涂表面進(jìn)行預(yù)熱，如不能進(jìn)行間接預(yù)熱，可以不預(yù)熱，也不推薦采用爐內(nèi)預(yù)熱。
為了在噴涂過程中控制基體的溫度，一般采用壓縮空氣對噴涂表面進(jìn)行冷卻，此法對保持基體和涂層性能非常有效。但在某些情況下，要求更高的冷卻能力時，可以采用液氬或液態(tài)CO2，該法可使基體溫度保持在50℃左右。
正確噴涂的ZrO2熱障涂層的顏色應(yīng)是接近白色或淡黃色。若顏色變成深黃色或橙色則表明涂層過熱，若涂層顏色為淺灰色，則說明噴涂時工件溫度過低，這種涂層的熱震性能相對較差。
在ZrO2熱障涂層的表面可以發(fā)現(xiàn)一些黑色斑點，這些斑點對涂層的性能不會產(chǎn)生影響，能譜分析表明，這些黑色斑點的成分仍是ZrO2。
4．熱障涂層后處理
關(guān)于熱障涂層的失效分析表明，涂層發(fā)生早期剝落失效的原因主要有三。第一，與涂層結(jié)合強(qiáng)度低有關(guān)，包括基體與粘結(jié)底層、粘結(jié)底層與ZrO2面層以及ZrO2面層內(nèi)部變形粒子之間的結(jié)合強(qiáng)度；第二，與ZrO2面層孔隙率較高有關(guān)，盡管這些孔隙可以在一定程度上起到釋放熱應(yīng)力的作用，但在服役過程中，氧會透過這些孔隙到達(dá)粘結(jié)底層，甚至基體，產(chǎn)生氧化，從而在粘結(jié)底層和ZrO2面層之間形成厚度為5-10μm的Al2O3層。該氧化過程會對熱障涂層的使用壽命產(chǎn)生非常有害的影響；第三，與粘結(jié)底層和ZrO2面層之間熱膨脹系數(shù)不匹配有關(guān)，在反復(fù)的加熱冷卻循環(huán)作用下，涂層內(nèi)部會形成裂紋，并進(jìn)而產(chǎn)生剝落失效。目前，為了進(jìn)一步提高熱障涂層的使用壽命，以提高涂層結(jié)合強(qiáng)度、減小孔隙率為目標(biāo)，針對熱障涂層的后處理進(jìn)行了研究，本文分別從以下三個方面進(jìn)行介紹。
（1) 真空熱處理。在熱障涂層中，粘結(jié)底層與基體之間是以機(jī)械結(jié)合為主，兩者之間較低的結(jié)合強(qiáng)度是導(dǎo)致熱障涂層抗熱震失效的主要原因之一。有人探討了真空熱處理對NiCoCrAlY粘結(jié)底層與TC4鈦合金基體之間的結(jié)合狀況和涂層抗熱震性能的影響。所采用的真空熱處理工藝為：真空度為0.1Pa，采用隨爐加熱方式將樣品加熱至900℃，保溫8ｈ，然后隨爐冷卻至室溫。結(jié)果表明，經(jīng)真空熱處理后，NiCoCrAlY粘結(jié)底層與TC4鈦合金基體之間發(fā)生了冶金化學(xué)反應(yīng)，并且形成了含NiTi、NiTi2和TiAl3等化合物的界面反應(yīng)層，涂層的抗熱震性能得以顯著地提高。因此，真空熱處理是改善熱障涂層與基體結(jié)合狀況，提高熱障涂層抗熱震性能的有效途徑之一。
（2) 熱等靜壓處理。涂層熱等靜壓處理(簡稱HIP)是將噴涂好的熱障涂層樣品置于熱等靜壓設(shè)備中，在Ar氣氛中，將溫度升至較高溫度(一般為1200℃左右)后，對樣品施以較高壓力(一般為50-200MPa之間)，并保溫幾個小時，然后再冷至室溫。研究結(jié)果表明，經(jīng)過HIP處理后，粘結(jié)底層和ZrO2層變得更加致密，ZrO2涂層中裂紋減少；涂層中具有較高Y2O3含量的、沒有轉(zhuǎn)變的四方相會發(fā)生一定程度的再結(jié)晶，形成細(xì)等軸晶組織；由于存在燒結(jié)效應(yīng)，在層間或變形粒子之間會形成一定的冶金結(jié)合，提高涂層結(jié)合強(qiáng)度，引起涂層斷裂模式發(fā)生改變，由層裂型轉(zhuǎn)變?yōu)榇有?；在粘結(jié)底層和ZrO2面層之間的界面上形成一薄Al2O3層，可提高熱障涂層抗氧化能力；在粘結(jié)底層和基體之間的界面上，底層中Ni和基體中的Fe發(fā)生了明顯的互擴(kuò)散。HIP處理帶來的涂層結(jié)構(gòu)變化，都對提高熱障涂層性能有利。
（3) 激光重熔處理。激光重熔處理是指采用一定能量的激光束照射已噴涂好的熱障涂層樣品表面，使ZrO2表面層組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而達(dá)到改變熱障涂層性能的后處理方法。激光重熔處理后引起金相組織發(fā)生改變的區(qū)域主要集中在ZrO2表層深約70μm的范圍內(nèi)，對更深處的ZrO2涂層組織及粘結(jié)底層與ZrO2層之間的界面結(jié)合影響不大。激光重熔處理后ZrO2表層形成了柱狀枝晶結(jié)構(gòu)，與等離子噴涂形成的層狀結(jié)構(gòu)存在很大差別，與EB—PVD熱障涂層結(jié)構(gòu)類似，這種組織具有很高的抗熱沖擊能力，研究表明，激光重熔處理熱障涂層的抗熱沖擊能力是等離子噴涂熱障涂層的四倍。如前所述，目前，美國、日本等少數(shù)國家正積極開展“等離子與激光”復(fù)合噴涂工藝研究，以進(jìn)一步提高熱障涂層的各項性能。
（4) 封孔處理。熱障涂層在燃燒室內(nèi)工作時，由于溫度的變化使之處于熱循環(huán)狀態(tài)。由于ZrO2陶瓷涂層中存在一定數(shù)量的孔隙和微裂紋，有密切的關(guān)系，腐蝕介質(zhì)會通過孔隙和裂紋傳輸?shù)秸辰Y(jié)底層/陶瓷層界面，甚至到達(dá)基體表面，從而引起氧化、腐蝕，這是導(dǎo)致熱障涂層發(fā)生剝落失效的主要原因。為了減緩氧化和腐蝕，對涂層表面進(jìn)行致密化和封孔處理是提高熱障涂層使用壽命的重要手段。為此，研究了幾種封孔處理的熱障涂層和抗熱震性，探討了涂層失效與剝落方式間的關(guān)系及失效機(jī)理。
有人分別采用有機(jī)硅樹脂、NiCrBSi金屬涂層、水玻璃三種封孔劑對熱障涂層試樣的表面進(jìn)行了封孔處理，并進(jìn)行了熱震試驗，具體是將試樣加熱至900℃，保溫5min后取出，迅速進(jìn)行強(qiáng)制風(fēng)冷20min，如此反復(fù)，直至涂層發(fā)生失效剝落，記下失效時的熱循環(huán)次數(shù)。結(jié)果表明，熱障涂層經(jīng)封孔處理后，熱震壽命得到改善。三種封孔劑中，有機(jī)硅樹脂效果最好，NiCrBSi涂層次之，水玻璃效果不明顯。
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