1前言 ZrO2-N......



1　前言
　　 ZrO2-Ni系熱障涂層在航空燃氣渦輪發動機、燃氣輪機上已得到應用。梯度熱障涂層研究與開發的興起促進了熱障涂層的進一步發展。在等離子噴涂過程中，熔融粉末的沉積和基體的受熱膨脹以及形成涂層時的收縮將會使涂層內產生殘余應力，殘余應力的大小對涂層性能有較大的影響。本研究采用X射線應力分析技術測試涂層表面的殘余應力，通過測試噴涂前后試樣曲率半徑的變化估算涂層的平均殘余應力，并進一步估算幾種階梯涂層內的平均殘余應力及噴涂過程中涂層的平均溫度，為分析熱障涂層在冷熱循環過程中的失效行為提供參考。
2　試驗方法
　　 采用高壓氫還原包覆法制備不同成分配比的ZrO2-Ni復合粉末，成分為100.0、72.3、56.7、49.5、40.6、34.5、26.2、14.0和0.0vol%Ni(余量為8wt%Y2O3部分穩定的ZrO2)。基材為20mm×22mm×2mm的GH128鎳基高溫合金平板，噴涂前磨平使曲率近似為零，經砂處理后備用。采用等離子噴涂工藝制備各成分的單層涂層及多層涂層，多層涂層包括Ni/ZrO2二層、Ni/ZrO2-40.6vol%Ni/ZrO2三層、Ni/ZrO2-56.7vol%Ni/ZrO2-26.2vol%Ni/ZrO2四層和Ni/ZrO2-72.3vol%Ni/ZrO2-49.5volNi/ZrO2-34.5vol%Ni/ZrO2-14.0volNi/ZrO2六層階梯涂層。ZrO2涂層的厚度約400μm，其它涂層約250μm，其它涂層約250μm。詳細制備工藝參數見文獻［1］。
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　　 用MSF-2903X射線應力分析儀測定涂層表面應力，靶材為Cu靶或Cr靶，Ni濾片。Cu靶時衍射晶面為Ni(420)，Cr靶時衍射晶面為Ni(311)和C-ZrO2(422)。工藝參數為：管壓30kV，管流10mA，入射和接收Soller光闌張角0.68°，閃爍計數管管壓1.2kV，掃描速度2°/min，時間常數85，X射線照射面積3mm×6mm，Ψ角選用0、25、35和45°，用半高寬法定峰位。
　　 噴涂試樣曲率半徑的測試方法為：將試樣用橡膠泥在壓平器上壓平，固定在活動平臺上，基材面朝上，以基材面為XY平面，垂直方向為Z軸，均勻分劃試樣，選取13個位置用千分表測試其Z坐標，得到基材曲面上13點的坐標位置，對測試坐標點按球面方程用最小二乘法擬合，即可計算出其平均曲率半徑。
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3　結果與討論
3.1　X射線應力分析［2，3］
對不同成分單層涂層表面的Ni和ZrO2分別測定其峰位衍射角2θi隨Ψi角的變化關系，以sin2Ψi為橫坐標，2θ為縱坐標，對測試點進行直線擬合，計算其斜率Mi，并計算其相應的應力常數，于是可計算各組元的應力
σi=KiMi (1)
近似認為涂層的總應力可按兩相應力線性疊加
σ＝σNiVNi+σZrO2VZrO2
　　如此計算的涂層表面應力隨成分的變化關系如圖1所示，可以看到，涂層表面的殘余應力較小，在幾十兆帕范圍內變化，均為拉應力。
3.2　曲率測試應力分析
　　 原位曲率測試以分析應力的方法已得到廣泛應用［4-6］。測試噴涂前后試樣曲率的變化亦可估算涂層內的殘余應力。噴涂前磨平試樣，曲率近似為零。噴涂后試樣曲率半徑R的測定按前述方法進行。
　　 涂層內的平均應力可用其剪切力彎曲矩近似估算［7］。
其中E為彈性模量，h為厚度，下標f和s分別對應涂層和基材。由此計算的涂層平均應力與鎳含量的關系亦示于圖1，均高于X射線所測試的涂層表面應力。在高鎳含量區，兩者給出相似的變化規律，低鎳含量區有一定差異，如圖2所示，兩者有較好的相關性
　　對于多層試樣采用類似的方法可估算各層內的平均殘余應力，計算公式為 (4)
　　其中i=0對應基材，對二層、三層、四層和六層階梯涂層所有試樣測試的結果匯于下表。可以看出，多層過渡結構不能改善涂層殘余應力。
　　 假設殘余應力源于噴涂過程中涂層和基材冷卻時的不同收縮，且近似取噴涂時基材平均溫度T0＝600K，
表 　熱障涂層各層內的平均殘余應力
Table 　Average residual stress in each layer
of thermal barrier coating
涂層系統曲率半徑
/mm結合應力
/MPa過渡層應力
/MPa熱障層應力
/MPa
二層313167　106
三層33247111589
四層1685315255/245180
六層2747192183/179/
166/15496

　　根據所測試的曲率半徑可估算噴涂不同成分涂層的平均溫度Tc及殘余應力σf涂層和基材的應力分別為［8］
　　其中α為熱膨脹系數。依據力平衡和力矩平衡條件可計算出ε0和Tc，于是可計算出σf(Z)，按厚度平均就得到了平均殘余應力σf，所計算的平均殘余應力和涂層噴涂溫度如圖3所示。如此計算的殘余應力遠高于直接按曲率半徑計算的殘余應力，但隨Ni含量的變化規律相擬。Kuroda等人［4］對噴涂鎳層殘余應力的計算值和原位曲率法測量值分別為1060MPa和55MPa，前者和圖3的估算值相近，后者和X射線應力分析結果相吻合，說明噴涂層中實際殘余應力較小，計算時未考慮涂層的屈服，也無法計及涂層缺陷(如孔隙，微裂紋等)所松弛的應力，因而總比實際值要大得多。同時，圖3還說明涂層噴涂平均溫度隨鎳含量的增加而降低，在實際噴涂過程中噴槍的功率也是隨鎳含量的增加而降低，相應噴涂溫度有著相似的變化規律
3　結論