8%Y2O3-ZrO2納米結構熱障涂層失效機理研究

李任偉，宮文彪

(1.東北電力大學工程訓練教學中心，吉林 吉林 132012；2.長春工業大學先進材料重點實驗室，吉林 長春 130012)

8%Y2O3-ZrO2納米結構熱障涂層失效機理研究

李任偉1，宮文彪2

(1.東北電力大學工程訓練教學中心，吉林 吉林 132012；2.長春工業大學先進材料重點實驗室，吉林 長春 130012)

采用大氣等離子噴涂技術，在高溫合金鋼表面制備了納米8%Y2O3- ZrO2熱障涂層(YSZ)。跟蹤涂層在900 ℃熱震試驗的失效過程，使用FESEM，XRD和EDS技術從失效涂層的微觀結構，相的穩定性和涂層截面形貌進行分析。結果表明，YSZ涂層隨熱震次數的增加，陶瓷涂層晶粒明顯長大，出現少量t-ZrO2→m-ZrO2轉化，同時許多熱生長氧化物(TGO)在陶瓷層和粘結層交界處生成。

納米8%ZrO2-Y2O3； 熱障涂層 ；晶粒長大；TGO；失效機理

0 引 言

熱障涂層(TBCs)是指通過表面處理技術在零件表面堆積一定厚度并具有隔熱作用的一種功能涂層，涂層有效地提高了零件的使用溫度和延長了使用壽命[1,2]。熱障涂層主要應用于航空領域，例如航空發動機渦輪機葉片，長期處于高溫和高速旋轉環境，發動機葉片材質為GH30高溫合金鋼，GH30耐高溫極限為1100℃，近年來推重比為15-20級的渦輪機進氣口溫度最高已達到1900 ℃左右，飛機本身的高效冷卻技術，也只能將溫度降低600 ℃左右[3]。這對熱障涂層材料的要求越來越高，傳統的微米級8%Y2O3- ZrO2熱障涂層材料已不能滿足航空發動機涂層的使用要求。上世紀末期，由于納米材料具有獨特的物理化學性質，對納米功能復合材料及改進的納米核殼類復合材料有了突飛猛進的發展，我國將納米功能復合材料的制備和應用研究列入了國家“十五”期間材料領域重點研究方向之一，同時由于納米結構中大量晶界的存在能增加聲子散射，有效降低材料的熱導率，所以納米級的熱障涂層具有優良的性能[4-7]。近年來納米級的8%Y2O3- ZrO2成為熱障涂層領域學者們的研究熱點，相對于傳統的微米級熱障涂層材料，能有效地提高零件的使用溫度和延長使用壽命[8,9]，但是系統的研究納米熱障涂層失效原因的報道偏少，從熱障陶瓷涂層工作環境考慮，本文選用熱震試驗對納米8%Y2O3- ZrO2涂層失效機理進行研究，利用FESEM,XRD和EDS技術，對納米熱障涂層失效原因進行分析，本文試驗結果對熱障涂層的應用與發展具有理論指導意義。

1 試驗材料與方法

本試驗參考航空渦輪發動機葉片材料，選用高溫合金鋼(GH30)作為基體材料，將其加工成尺寸為Φ30 mm×4 mm圓柱體。熱障涂層體系包括過渡粘結層和陶瓷涂層，過渡層材料選用粒度40-70 μm的NiCrAlY微米級粉末，陶瓷工作層材料選用為納米團聚粉末8%Y2O3- ZrO2(YSZ)。兩種粉末材料SEM形貌如圖1所示，圖1-a為NiCrAlY粉末，粉末呈現球形顆粒，表面光滑，顆粒度完好。圖1-b為YSZ團聚粉末像，團聚球體表面形貌粗糙、疏松，存在許多孔隙，納米團聚后的粒度范圍為30-80 μm。由于納米級的粉體質量超輕，無法從等離子噴槍中順利噴出和沉積在基體表面上，只有大于20 um的粉末才能用于等離子噴涂[10]，所以本文選用的YSZ團聚粉末符合等離子噴涂條件。

將基體材料表面進行粗化、丙酮清洗和烘干處理。采用3710型大氣等離子噴涂(APS)系統配合六軸機器人，按照設定程序進行自動噴涂。在基體表面順序噴涂60 μm厚的過渡層和120 μm厚的陶瓷層，噴涂參數參照文獻[11] 。

涂層抗熱震性能測試是參照航空工業標準：HB7269-96進行。將YSZ試樣在900 ℃熱處理爐中保溫10分鐘，迅速放入常溫蒸餾水中淬冷，待樣件溫度冷卻后取出烘干，觀察涂層表面情況，重復操作這一過程，使用體式顯微鏡跟蹤照相,記錄涂層失效過程。

2 試驗結果與討論

圖1 粉末SEM像Fig.1 SEM morphology of powder: (a) NiCrAlY; (b) YSZ

圖2 YSZ涂層失效圖片Fig.2 The failure morphologies of YSZ (a) 30th thermal shock test (b) 42 d thermal shock test

圖2為YSZ在熱循環試驗過程中涂層脫落失效的跟蹤照片，圖2-a記錄了試驗跟蹤到第30次時，涂層邊緣發生一次小面積脫落。圖2-b為試驗進行到42次時涂層邊緣處再次發生兩塊涂層剝離，從脫落涂層顏色可以判斷，是陶瓷層脫離粘結層，并且試驗中涂層脫落位置均為邊緣脫落，而常規的非納米熱障涂層材料，涂層脫落為整體大面積脫落[12]，說明納米熱障涂層抗熱震性能要優于常規的熱障涂層。熱震循環過程中，由于材料之間熱膨脹系數的差異，涂層內部會產生殘余內應力，殘余內應力會隨熱震試驗次數的進行而增加，當達到極限時，涂層就會脫落。所以涂層表面殘余內應力的積累也是涂層失效的主要原因之一。圖3-a和3-b分別為試驗第30次和42次脫落的涂層進行FESEM分析，許多大小均勻的晶粒排布在一起，從相同比例尺的兩圖片對比，可以看出熱震30次到42次，晶粒發生了明顯的長大，可能是由于疏松顆粒間的燒結和納米間的顆粒聚合共同促使涂層晶粒的長大，隨納米陶瓷晶粒的長大，陶瓷涂層的強度和韌性呈現下降趨勢，同時，晶粒長大是晶界將向較穩定的亞穩態或穩定態轉變的一種表現形式，即轉變結果為普通粗晶材料，就會失去其獨特的性能[11, 13]。所以，晶粒長大誘發涂層脫落，影響涂層的使用壽命。

圖4-a和4-b為熱震試驗失效前后的XRD圖譜，未經過熱震試驗的YSZ涂層中主要由t-ZrO2組成，和文獻[14]中試驗結果一致,而熱震試驗后形成了t-Zr0.92Y0.08O1.96和m-ZrO2兩個新相，由于t相有較強的斷裂韌性和室溫強度，有助于涂層的穩定存在，Y2O3是t-ZrO2的相穩定劑，抑制t-ZrO2向其它相轉變，t-Zr0.92Y0.08O1.96的形成表明Y2O3已經固溶到了ZrO2里，一般t-ZrO2在高溫條件下可以向m-ZrO2或c-ZrO2轉變，說明Y2O3已經發揮了穩定劑的作用，但是熱震試驗后的涂層中仍然出現了少量的m-ZrO2相，t相→m相轉變的過程中，會伴隨體積的膨脹，促使剪切應力增加，加快涂層過早脫落。說明涂層脫落和相的不穩定有直接關系。

圖5-a和5-b為熱震試驗前后YSZ涂層截面SEM背散射圖片，圖片可清晰區分截面由上至下分布陶瓷涂層、粘結層和基體材料。由于各層材料不同，從顏色上可以分辨出層間交界線，熱震試驗前后在陶瓷層和粘結層交界處發生了明顯變化，圖5-b顯示熱震后在YSZ和NiCrAlY交界處出現了一道黑色物質，可能是由于NiCrAlY層金屬元素被氧化，生成的熱生長氧化物(TGO)，同時對黑色物質進行EDS能譜分析，如圖6所示，該黑色物質含有Al、Ni、Y、O和Cr元素，可以推斷此黑色物質是一些金屬氧化物，據文獻[15]報道，熱障涂層在高溫熱循環過程中氧原子會穿過陶瓷涂層，與粘結層易氧化的金屬元素生成高溫氧化物，這是導致涂層失效的原因之一。隨熱震試驗的不斷進行，在陶瓷層與粘結層交界處TGO會不斷累積，產生界面張力，將陶瓷層和粘結層剝離。

圖3 YSZ陶瓷涂層晶粒大小Fig.3 Grain size of YSZ ceramic coating (a)30th thermal shock test (b) 42nd thermal shock test

圖4 YSZ熱震試驗后涂層XRD圖譜Fig.4 The XRD patterns of the YSZ coating before and after thermal shock

圖5 熱震試驗前后YSZ涂層截面SEM背散射圖片Fig.5 SEM back scattered morphology of TBC before and after of thermal shock test

圖6 黑色物質能譜分析結果Fig.6 EDS analysis result of the black

3 結 論

本文使用納米熱障涂層材料YSZ進行900 ℃熱循環試驗，通過跟蹤涂層的失效過程及分析，得出以下結論：

(1)YSZ涂層在熱震第30次和42次時發生涂層脫落，兩次脫落的涂層中，晶粒發生了明顯的長大，晶粒長大會使涂層的強度和韌性下降，導致涂層壽命下降；

(2)YSZ涂層經過熱震42次試驗結束后，涂層中出現少量t相→m相轉變，會伴隨體積變化，誘發涂層提前脫落；

(3)YSZ在熱震過程中，在粘結層與陶瓷層交界處，出現TGO，層間的TGO的累積會將陶瓷層與粘結層剝離分開。

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Investigation on Failure Mechanism of Nanostructured 8%ZrO2-Y2O3Thermal Barrier Coating

LI Renwei1, GONG Wenbiao2
(1. Engineering Training Center, Northeast Dianli University, Jilin 132012, Jilin, China; 2. Key Laboratory of Advanced Structural Materials of Ministry of Education, Changchun University of Technology, Changchun 130012, Jilin, China)

The nanosized 8%Y2O3-ZrO2(YSZ) was used to prepare a thermal barrier coating material on GH30 superalloy surface by air plasma spraying. The failing process of coating was followed during the thermal shock test at 900 ℃. Meanwhile, the microstructures, phase stability and cross-section of the failed coatings were analyzed by FESEM, EDS and XRD. The results showed that with the increase of the number of thermal shock test cycles, the grain size of the ceramic coating grew obviously, and there was less phase transformation from t-ZrO2to m-ZrO2of coating. A large amount of thermally grown oxide (TGO) was found between ceramic layer and bond layer.

nanostructured 8%ZrO2-Y2O3; thermal barrier coating; grain growth; TGO; failure mechanism

TQ174.75

A

1000-2278(2016)06-0663-05

10.13957/j.cnki.tcxb.2016.06.014

2016-03-21。

2016-05-13。

總裝備部武器預研基金項目(51461020201JW1301)。

李任偉(1986-)，男，碩士。

Received date: 2016-03-21. Revised date: 2016-05-13.

Correspondent author:LI Renwei(1986-), male, Master.

E-mail: li.renwei@163.com