結構參數對等離子噴涂Mo/8YSZ功能梯度熱障涂層殘余應力的影響

龐 銘,張嘯寒

（中國民航大學機場學院，天津300300）

為了順應航天動力高速化、輕量化的發展趨勢，新型航天動力的熱端部件選用7A04輕質高強鋁合金，這種材料具備塑性好、比強度高、耐蝕性能佳等多方面的優勢特征[1-4]，但鋁合金材料的熱強度低，無法承受高溫熱流的往復沖擊，這也成為限制其在航天系統內廣泛應用的主要原因。借助干冰微束、壓縮空氣及循環水等方式進行制冷作業時，一方面制冷效率較低，另一方面還會增加額外的制冷作業空間，與緊湊型動力的發展理念相悖。通過提升材料自表面熱阻值的方式可實現良好的熱防護效果，目前可通過激光熔覆及等離子噴涂等工藝在待防護的基體表面制備擁有高熱阻值的熱防護材料，但激光在熔覆作業過程中，易導致涂層與基材產生大范圍的冶金結合，這勢必會影響基體材料固有的優良力學性能。等離子噴涂是一種借助高溫高速等離子射流在基體表面沉積熱防護涂層的工藝，高速飛行的粉末粒子與基體的結合方式以機械結合為主，可最大限度地保留基體材料的優良特性。但相比于冶金結合，機械結合會降低涂層與基材的結合強度，而采用功能梯度熱障涂層可實現金屬和陶瓷組元在涂層厚度方向熱物理性能的連續平滑過渡，緩和由于材料熱物性參數的失配誘發的過大熱應力，提升涂層與基材的結合強度。

殘余應力是影響涂層與基材結合強度的重要因素之一，在殘余應力的作用下涂層內部或涂層與基材結合面易萌生微裂紋，隨著裂紋擴展，易造成涂層的剝離。結構參數是影響涂層系統殘余應力大小及分布的重要參數之一，相比于傳統的雙層熱障涂層，功能梯度熱防涂層的結構參數設計調配更為復雜，這是由于一種成分配比的涂層結構參數變化就會影響整個涂層系統的殘余應力分布。采用實驗法進行涂層制備并開展殘余應力測試的研究方法，勢必會存在耗時、耗能及耗材等弊端[5-6]，因此在進行涂層系統的預研時，不會直接開展大規模的實驗研究，而是借助有限元軟件進行前期的論證及研究工作。文政穎等[7]基于有限元的思想，通過建立等離子噴涂Sm2Ce2O7/YSZ熱障涂層的數值模型，研究了YSZ（氧化釔部分穩定氧化鋯）層厚度對涂層系統熱應力的影響，研究表明，將YSZ層的厚度控制在0.3mm時，涂層系統的熱應力最小。王魯等[8]借助仿真商業軟件系統地分析了等離子噴涂制備氧化鋯陶瓷涂層時，陶瓷層厚度參數對涂層系統殘余應力的影響。郭崇波[9]利用數值模擬軟件研究了超音速火焰噴涂工藝制備Fe41Co7Mo14C15B6Y2涂層，發現隨著涂層厚度的增加在涂層邊緣處將出現應力集中。田甜[10]通過數值模擬軟件研究了等離子噴涂制備熱防護涂層時，陶瓷層厚度對涂層系統殘余應力的影響，結果表明，當陶瓷層厚度逐漸增大時，最大軸向壓應力呈先增大后減小的變化趨勢，徑向拉應力與剪切應力呈逐漸增大的變化趨勢。張紅松等[11]利用仿真軟件研究了2Cr13鋼表面等離子噴涂Sm2Zr2O7涂層，不同基體厚度對試樣殘余應力的影響規律，發現基體厚度不是影響Sm2Zr2O7系熱障涂層殘余應力的主要因素。趙讓乾等[12]通過數值模擬研究揭示了涂層厚度對Sm2Ce2O7/YSZ涂層系統熱應力的影響規律，隨著涂層厚度增加，涂層系統的殘余應力和沖擊應力降低。羅瑞強[13]借助數值模擬軟件研究了氧化鋯涂層厚度對涂層系統殘余應力的影響，結果表明，涂層厚度參數越大，徑向壓應力越小，涂層邊緣剪切拉應力和邊緣軸向壓應力越大。Abbas等[14]經有限元計算發現，相比于單一的陶瓷涂層系統（LaTi2Al9O19），雙陶瓷層熱障涂層系統（YSZ/LaTi2Al9O19）的殘余應力減小了近 120MPa。Khor等[15]通過構建等離子噴涂ZrO2/NiCoCrAlY功能梯度熱障涂層的數值模型并計算分析發現，通過增大涂層的厚度參數可以進一步減小涂層系統的殘余應力值。綜合上述文獻報道可知，現階段針對結構參數對涂層系統殘余應力影響的研究多集中在傳統的雙層結構的熱障涂層，仍缺乏針對結構參數對鋁合金基材表面等離子噴涂Mo/8YSZ功能梯度熱障涂層殘余應力影響的系統性研究。

本工作基于ANSYS數值模擬軟件，通過構建鋁合金基材表面等離子噴涂Mo/8YSZ功能梯度熱障涂層的數值模型，揭示基材、黏結層、過渡層和陶瓷層的厚度參數對涂層系統殘余應力的影響規律。

1 數值模型的構建

1.1 物理模型

圖1 物理模型Fig.1 Physical model

圖1 給出了等離子噴涂功能梯度熱障涂層的物理模型，基體與涂層均為直徑20mm的圓柱體，其中基體厚度為a mm，涂層厚度為b mm，在仿真計算時，通過設定a與b的數值，實現噴涂構件結構參數的調控。由于圓柱體模型底面圓半徑及基體厚度大于涂層系統的厚度，因此將基體表面等離子噴涂功能梯度熱障涂層的問題簡化為平面應變問題[7]，如圖1所示，選取1/2縱截面進行平面建模分析。基體材料為7A04鋁合金；黏結層材料為純鉬（Mo）金屬；過渡層材料為8%氧化釔部分穩定氧化鋯（8YSZ）與 Mo按 75%Mo/25%8YSZ、50%Mo/50%8YSZ、25%Mo/75%8YSZ的混合比自下而上三層分布；陶瓷層材料為8YSZ。其中Mo既表現出優良的抗燒蝕性能，又具備優良的自黏結性能[16]，用作黏結層能夠實現涂層優良的抗拉性能；8YSZ具有高熔點、低導熱及高硬度的特性[17]，用作陶瓷層能夠實現涂層優良的抗燒蝕磨損性能。涂層失效多發生在基體與黏結層的界面，為了便于分析基體與黏結層界面及涂層邊緣處殘余應力的數值大小及分布情況，以mm為坐標值單位，選取點 A(0,a)為起始點，點 B(10,a)為終止點，起始點定義線段 AB 為監測路徑 Path1，選取 C(10,a+b)為起始點，點D(10,0)為終止點，定義線段CD為監測路徑 Path2。

1.2 有限元（FE）模型

圖2給出了等離子噴涂制備功能梯度熱障涂層的有限元（FE）模型。如圖2所示，由于存在多種涂層組元，故在FE模型中，采用不同顏色的單元加以區分表示，在ANSYS仿真軟件中，選用PLANE13四邊形四節點熱-力耦合線性2D單元，建立基體表面等離子噴涂功能梯度熱障涂層有限元模型，在等離子噴涂過程中和噴涂結束后的冷卻過程中，由于不同涂層組元的界面及涂層與基材的界面均存在一定程度的應力集中情況，因此為了獲得更真實的計算結果，需將這些區域的網格做加密處理，網格尺寸為25μm，其他區域的網格無須加密，網格尺寸為0.2mm。借助ANSYS仿真軟件強大的“生死單元”功能，將涂層設定為“死”單元，基體設定為“活”單元，依據“增層模型”模擬涂層單層沉積的過程，其中單層沉積的涂層厚度為50μm。此外為了提高計算效率，在確保主要計算對象的有效性外，需做出相關假設[18-19]：（1）噴槍的有效噴涂區域覆蓋噴涂構件上表面；（2）不同的涂層組元及涂層與基材均結合緊密；（3）忽略涂層內部的微孔隙及氧化帶缺陷。

圖2 功能梯度熱障涂層有限元模型Fig.2 Finite element model of functional gradient thermal barrier coating

1.3 功能梯度熱障涂層的殘余應力構成

在等離子噴涂過程及噴涂結束后的冷卻過程中，由于溫度的變化會引起噴涂構件內部熱應力發生改變，當材料承受的熱應力超過其屈服極限時，材料會產生塑性變形；當噴涂構件冷卻至室溫，產生的塑性變形不能恢復時，便會產生殘余應力。涂層的殘余應力對涂層的失效影響作用顯著，冷卻過程中，由于噴涂構件各部分的冷卻速率、溫度梯度、峰值溫度和外在約束不同，因此勢必會存在殘余應力[19]。

（1）熱失配應力

在等離子噴涂過程及噴涂結束后的冷卻過程中，由于涂層與基材間以及先后沉積的涂層間均存在著不同程度的溫差及熱失配，在兩方面綜合作用下，導致噴涂構件殘余應力的產生。熱失配應力是噴涂構件殘余應力的主要應力形式，其本構關系式見式（1）：

式中：σtm為熱失配應力，MPa；Ec為涂層的彈性模量，MPa；ν為涂層的泊松比；Δα為基材與涂層的熱膨脹系數之差，10-6℃-1；ΔT為高溫到室溫的溫度差，K。

（2）淬火應力

經高溫等離子射流加熱至熔融或半熔融狀態的粉末熔滴，高速撞擊到基材或已沉積的涂層上表面時，在溫差作用下，熔滴冷凝收縮時，受到基材或已沉積的涂層的約束，產生的由于淬火效應引起的殘余應力稱之為淬火應力。淬火應力的本構關系可由式（2）表示：

式中：σq為淬火應力，MPa；αc為涂層的熱膨脹系數，10?6℃?1；Tm為高溫融滴溫度，K；Ts為基材溫度，K。

（3）相變應力

在等離子噴涂過程中，當溫度超過涂層和基體材料的相變點時，材料發生相變導致材料的密度、彈性模量等發生變化，從而產生相變應力。ZrO2陶瓷材料中添加8%Y2O3穩定劑，能夠對ZrO2陶瓷材料的相變起到一定的抑制作用，因此在等離子噴涂以及冷卻過程中，可不考慮功能梯度熱障涂層的相變應力。

Mo/8YSZ熱障涂層的總殘余應力可表示為：

式中：σ為功能梯度熱障涂層的總殘余應力，MPa。

1.4 仿真計算的邊界條件

（1）初始條件：對基材進行預熱處理可在一定程度上降低涂層的殘余應力，工程上在進行等離子噴涂的實操作業時，往往會對基材進行預熱處理，為了真實模擬噴涂作業前的預熱處理，采用APDL命令流語言將基材的初始溫度值設定為100℃。噴涂作業前，外界環境溫度為25℃，整個噴涂構件處于無應力的初始狀態，在等離子噴涂功能梯度熱障涂層的過程中，噴涂粉末始終處于900℃[8]的環境中。

（2）熱邊界條件：試樣模型的右端面及上端面與外界環境進行對流換熱，噴涂作業時加載的對流換熱系數大小為 30W/（m2?℃），冷卻過程中加載的對流換熱系大小數為 10W/（m2?℃）[9]，模型左端面及底面做絕熱處理。在等離子噴涂作業中，當送粉結束后，等離子弧并非立即熄滅，而是存在短暫（約6s）的與噴涂構件相互作用的過程，在涂層上表面加載熱流密度大小為 6×105W/m2[10]的高溫載荷。

（3）力邊界條件：由于圓柱體基材垂直放置于工作平臺表面，當取1/2圓柱體的縱截面構建平面模型時，需將涂層與基材的左端面及底面節點固定，限制其平面位移。

1.5 材料的熱物性參數

噴涂構件各部分材料的熱物性參數是溫度的函數，若只考慮單一溫度下的熱物性參數，在仿真計算時，勢必存在較大的計算誤差，從而影響仿真計算的準確性。基體材料的熱物性參數來源于文獻[20]～[21]，黏結層材料的熱物性參數來源于文獻[22]～[23]，陶瓷層材料的熱物性參數來源于[24]～[26]。通過差值及外推的方法獲取各材料組元在未知溫度下的熱物性參數。其中功能梯度熱障涂層的過渡層材料的熱物性參數采用混合定律進行計算[27]：

式中：i為材料編號；n為材料的個數；Xa為按照混合定律計算獲得的熱物性參數；Xb為按照對數定律計算獲得的熱物性參數；X為性能的有效值；K為材料在混合材料中所占的質量分數。

2 結果分析與討論

圖3給出了不同結構參數噴涂構件的最大殘余應力，（+）”表示殘余拉應力，“（－）”表示殘余壓應力。由圖3可看出三種殘余應力的變化規律：（1）徑向殘余應力。隨著基體厚度的增加，噴涂構件的最大徑向殘余拉應力和最大徑向殘余壓應力均減小，說明增加基體厚度可降低在徑向殘余拉應力作用下涂層內部橋狀裂紋的萌生概率和在徑向殘余壓應力作用下產生的涂層翹曲缺陷[19]；隨著黏結層、過渡層和陶瓷層厚度的增加，噴涂構件的最大徑向殘余拉應力增大，最大徑向殘余壓應力減小，其中殘余拉應力的增加是由于熔滴在沉積冷凝的過程中表面收縮，基體或已沉積的涂層對熔滴產生了拉應力的作用。涂層厚度增加的過程，也是粉末熔滴不斷沉積、冷凝和收縮的過程，這就造成了殘余拉應力的不斷增加，隨著殘余拉應力的增大，會進一步增加涂層內部垂直于界面橋狀裂紋缺陷的產生概率；隨著殘余壓應力的減小，可減少涂層內部分層及翹曲缺陷的產生[19]；當改變黏結層厚度時，在噴涂構件內部，徑向殘余拉應力為主要徑向殘余應力形式，說明增加黏結層厚度會使得垂直于基體與涂層界面的橋狀裂紋成為導致涂層失效剝離的主要缺陷形式，然而改變過渡層或陶瓷層厚度時，在噴涂構件內部，徑向殘余壓應力為主要徑向殘余應力形式，說明增加過渡層或陶瓷層厚度會使得涂層翹曲成為涂層失效的主要缺陷形式。（2）軸向殘余應力。隨著基體、黏結層、過渡層和陶瓷層厚度的增加，最大軸向殘余拉應力增大，但軸向殘余壓應力仍為主要的殘余應力形式，隨著基體厚度的增加，最大軸向殘余壓應力減小；隨著黏結層和過渡層厚度的增加，最大軸向殘余壓應力增大；隨著陶瓷層厚度的增加，最大軸向殘余壓應力變化不明顯，說明增加基體厚度會降低涂層分層失效的概率，而增加黏結層或過渡層厚度，會使得涂層內部產生過大的應力集中。對比發現，改變陶瓷層厚度對噴涂構件軸向殘余壓應力的影響并不明顯。（3）殘余剪切應力。改變黏結層、過渡層或陶瓷層厚度對殘余剪切應力的影響并不明顯，而增加基體厚度會在一定區間范圍內降低殘余拉應力，當基體厚度增加至12mm時，隨著基體厚度的增加殘余拉應力變化不明顯。

圖3 不同結構參數噴涂構件的最大殘余應力 （a）不同基體厚度，hs表示基體厚度；（b）不同黏結層厚度，hBL表示黏結層厚度；（c）不同過渡層厚度，hIL表示過渡層厚度；（d）不同陶瓷層厚度，hCL表示陶瓷層厚度Fig.3 Maximum residual stresses of sprayed component with different structural parameters （a）different thicknesses of substrates，hsrepresents thickness of substrate；（b）different thicknesses of bonding layers，hBlrepresents thickness of bonding layer；（c）different thicknesses of transition layers，hILrepresents thickness of transition layer；（d）different thicknesses of ceramic layers，hCLrepresents thickness of ceramic layer

圖4 給出了不同結構參數下Path1徑向殘余應力的變化曲線，正值為拉應力，負值為壓應力。對比圖4（a）～圖4（d）發現，基體與涂層界面的殘余應力經歷了由殘余壓應力到殘余拉應力的轉變過程，且不同結構參數對應殘余應力的分布區間不同：隨著基體厚度的增加，殘余壓應力的分布區間增大，殘余拉應力的分布區間減小，且應力形式的轉變點逐漸向界面邊緣轉移，殘余壓應力始終為主要殘余應力，這種應力形式的轉變點附近易萌發微裂紋，在軸向殘余壓應力的作用下，裂紋極易擴展形成貫穿裂紋，最終造成涂層的剝離失效，說明增加基體厚度會使得界面缺陷的萌生位置向涂層邊緣靠近；隨著黏結層、過渡層或陶瓷層厚度的增加，殘余壓應力的分布區間減小，殘余拉應力的分布區間增大，且應力形式的轉變點逐漸遠離界面邊緣，說明增加涂層厚度會導致涂層的失效位置向中心區域轉移；改變黏結層厚度對基體與涂層界面殘余壓應力的影響更為明顯，當黏結層厚度為0.6～0.8 mm時，界面殘余拉應力為主要殘余應力形式，在殘余拉應力的作用下，涂層易產生垂直于界面的橋狀裂紋，這種裂紋會導致涂層開裂，但不會形成貫穿裂紋，相對于平行于界面的層狀裂紋而言更為安全。觀察圖 4（a）發現，在 0～5.5mm的路徑范圍內，隨著基體厚度的增加，在路徑同一位置，噴涂構件最大殘余壓應力呈現“減小-增大”的變化趨勢，在距離涂層中心 5.5mm處，基體厚度對涂層殘余應力的影響規律發生了轉變，在5.5～9mm的路徑范圍內，隨著基體厚度的增加，在路徑同一位置，最大殘余壓應力增大，觀察圖4（b）～圖4（d）發現，隨著黏結層、過渡層或陶瓷層厚度的增加，界面的最大殘余壓應力減小；在距離涂層邊緣0.5mm處，存在較大的應力突變，且伴隨著基體厚度的增加，應力突變值減小，隨著黏結層厚度的增加，應力突變值增大，改變過渡層或陶瓷層厚度對界面應力突變情況影響不明顯；基體的厚度在一定范圍內影響界面殘余應力，當基體厚度增加至12mm時，厚度的增加對路徑徑向殘余應力的變化影響減小。

圖4 不同結構參數下 Path1徑向殘余應力的變化曲線 （a）不同基體厚度；（b）不同黏結層厚度；（c）不同過渡層厚度；（d）不同陶瓷層厚度Fig.4 Variation curves of Path 1 radial residual stress under different structural parameters （ a） different thicknesses of substrates；（b）different thicknesses of bonding layers；（c）different thicknesses of transition layers；（d）different thicknesses of ceramic layers

圖5 給出了不同結構參數下Path2的軸向殘余應力變化曲線，正值為拉應力，負值為壓應力。對比圖5（a）～圖5（d）發現，不同結構參數的噴涂構件對應所選路徑的軸向殘余應力均呈現由殘余拉應力向殘余壓應力的轉變，且隨著基體厚度的增加，應力形式的轉變點逐漸向基體與涂層界面的上方轉移；隨著黏結層、過渡層或陶瓷層厚度的增加，應力形式的轉變點逐漸向基體與涂層界面的下方轉移；軸向殘余壓應力為Path2的主要殘余應力形式，且隨著基體厚度的增加，軸向殘余壓應力減小，黏結層、過渡層或陶瓷層厚度的變化對軸向殘余壓應力的影響不明顯；隨著基體厚度的增加，路徑上的軸向殘余壓應力對應的突變點由基體與涂層界面下方向上轉移，說明了增加基體厚度易造成失效位置向基體與涂層界面上方轉移，隨著黏結層、過渡層或陶瓷層厚度的增加，路徑上的軸向殘余壓應力對應的突變點逐漸向基體與涂層界面下方轉移，說明了增加涂層厚度易造成涂層的失效位置向基體與涂層界面下方轉移。

圖6給出了不同結構參數下Path1的剪殘余應力變化曲線，正值為拉應力，負值為壓應力。對比圖6（a）～圖6（d）發現，基體與涂層界面的殘余應力均為殘余拉應力，在0～2.5mm的路徑范圍內，改變基體厚度對路徑殘余應力的影響較其他路徑范圍小，在2.5～10mm的路徑范圍內，在路徑同一位置，隨著與路徑起始點距離的增加，路徑的最大殘余應力增大，在涂層邊緣處達至殘余應力最大值，當基體厚度增加至12mm時，隨著基體厚度的增加，在路徑同一位置，殘余拉應力增加幅度減小；在0～0.5mm的路徑范圍內，改變黏結層、過渡層或陶瓷層厚度對路徑殘余應力的影響較其他路徑范圍小，在0.5～10mm的路徑范圍內，在路徑同一位置，隨著與路徑起始點距離的增加，路徑的最大殘余拉應力增大，其中在4～9mm路徑范圍內的，改變涂層厚度對基體與涂層界面剪殘余應力影響最為明顯。

圖5 不同結構參數下 Path2 的軸向殘余應力變化曲線 （a）不同基體厚度；（b）不同黏結層厚度；（c）不同過渡層厚度；（d）不同陶瓷層厚度Fig.5 Variation curves of Path 2 axial residual stress under different structural parameters （a）different thicknesses of substrates；（b）different thicknesses of bonding layers；（c）different thicknesses of transition layers；（d）different thicknesses of ceramic layers

3 結論

（1）基體厚度的增加，噴涂構件的最大徑向殘余拉應力和最大徑向殘余壓應力均呈下降趨勢；隨著黏結層、過渡層和陶瓷層厚度的增加，最大徑向殘余拉應力增大，最大徑向殘余壓應力減小。

（2）殘余壓應力為軸向的主要殘余應力形式，隨著基體厚度的增加，噴涂構件的最大軸向殘余壓應力減小，隨著黏結層或過渡層厚度的增加，噴涂構件的最大軸向殘余壓應力呈上升趨勢，陶瓷層厚度的變化對噴涂構件的最大軸向殘余壓應力影響不明顯。

（3）改變黏結層厚度對基體與涂層界面殘余壓應力的影響更為明顯。

（4）基體的厚度在一定范圍內對基體與涂層界面徑向殘余應力有影響，當基體厚度增加至12mm時，隨著基體厚度的增加，殘余應力的變化不明顯。

（5）隨著基體厚度的增加，應力形式的轉變點與應力突變點過渡到基體與涂層界面邊緣的上方區域，隨著黏結層、過渡層或陶瓷層厚度的增加，應力形式的轉變點與應力突變點逐漸過渡到基體與涂層界面中心下方區域。