等离子喷涂热障涂层组织结构及热导率研究

王焱，李定骏

(东方汽轮机有限公司，四川德阳，618000)

等离子喷涂热障涂层组织结构及热导率研究

王焱，李定骏

(东方汽轮机有限公司，四川德阳，618000)

采用扫描电子显微镜 （SEM）、激光脉冲等方法研究了204NS和204NS-G粉末对等离子喷涂热障涂层组织结构及热导率的影响。结果表明：相比204NS-G粉末，204NS粉末制备的YSZ涂层具有较高的密度和较低的孔隙率。在1 000℃下，204NS粉末制备的YSZ涂层热导率为0.78W/m·K，比204NS-G粉末制备的YSZ涂层热导率高约20%。

热障涂层，等离子喷涂，热导率

0 引言

热障涂层被广泛地应用到燃气轮机和航空涡轮发动机部件中，通过降低基体的温度来保护热端部件，延长燃气轮机和发动机部件寿命[1-3]。典型的热障涂层系统包括3部分：（1）起到隔热作用的陶瓷层；（2）主要由Al2O3组成的氧化层（TGO）；（3）起到改善基体和陶瓷层的热膨胀性能不匹配和抗高温氧化作用的粘结层。由于Y2O3部分稳定的ZrO2（YSZ）具有低的热导率和高的热膨胀系数，所以YSZ被广泛用到热障涂层的陶瓷层中。

对热障涂层热性能特别是热导率的研究是极为重要的。热障涂层热导率的分析是研究涂层隔热性能的最主要因素，热障涂层隔热效果随着热导率的减小而增大[4]。热导率与涂层材料、喷涂工艺等因素有关[5-6]。本文采用大气等离子喷涂技术制备热障涂层，研究204NS和204NS-G 2种粉末制备的热障涂层组织结构和热导率，为在不同粉末下制备的涂层实际应用提供实验依据。

1 实验

1.1 原料及YSZ涂层制备

陶瓷层材料选用型号为204NS与204NS-G的2种8wt%氧化钇稳定的氧化锆。采用Microtrac S3500型激光粒度仪测定204NS和204NS-G 2种粉末的粒径分布，粉末粒径分布如图1所示。204NS粉末的具体参数为：d0.05=17μm，d0.95=125 μm，d0.5=61μm；而204NS-G粉末的具体参数为：d0.05=23μm，d0.95=130μm，d0.5=67μm。采用Sulze Metco大气等离子喷涂设备制备上述2种粉末的YSZ涂层，等离子喷涂制备YSZ涂层工艺参数如表1所示。实验选1Cr18Ni9Ti不锈钢作为基体，尺寸为Φ12.7×5mm，在端面经喷砂粗化后制备涂层，然后利用HCl+HNO3将基体腐蚀掉，得到单独的陶瓷层，陶瓷层的厚度约为1mm。

图1 204NS和204NS-G粉末粒径分布图

表1 大气等离子喷涂制备YSZ涂层工艺参数

1.2 显微结构分析

采用扫描电子显微 （VEGA II-XMU,TESCAN, Czech）观察YSZ涂层的组织形貌。

1.3 热导率

涂层热导率是采用一种间接的方法得到的，首先测试涂层的热扩散系数，然后测试涂层的定压比热容和密度，最后利用式（1）求得涂层的热导率。

热扩散率的测试中，涂层的热扩散系数α采用激光脉冲（Laser Flash）的方法进行测量[7]，仪器型号为NETZSCH LFA 427。测量时，通过能量脉冲束给试样的一侧升温，然后记录试样另一侧的温度达到最高温度一半时所对应的时间，从而热扩散系数可以通过式（2）进行计算。

式中：L是试样的厚度；t1/2是试样背面达到最大温度一半时对应的时间。

根据Neumann-Kopp定律[8]，YSZ涂层的比热容Cp可由其组元的比热容计算得到，Y2O3，ZrO2的比热容可以查阅热力学手册[9]，具体计算见式（3）。

式中：T为温度；a，b，c为常数，Y2O3的常数分别为123.846，5.021，-20，ZrO2常数分别为69.622，7.531，-14.058。

涂层的密度根据Archimedes原理测量[10]，见式（4）。

式中：ρ为涂层的密度；Wair为干燥样品在空气中的重量；Wˊair为样品被水饱和后在空气中的重量；Wwater为样品在水中饱和后的重量。

2 实验结果及讨论

2.1 组织结构

图2 YSZ涂层表面形貌图

图2 给出了2种粉末制备YSZ涂层的表面形貌图。从图中可以看出，涂层由扁平颗粒堆积构成，其表面具有一定的粗糙度。扁平颗粒中存在垂直于涂层表面的纵向裂纹，这是由于颗粒快速冷却中产生的收缩拉应力超过材料抗拉强度所产生的裂纹，这些裂纹有助于缓解涂层内的残余应力[11]。从表面熔融状态以及表面裂纹来看，204NS粉末制备的涂层表面熔融情况较好，裂纹较少，这是由于204NS粉末相对204NS-G粉末粒度范围较窄，在相同喷涂参数下，204NS粉末的熔融状态较好。

图3 YSZ涂层断裂形貌图

图3 为YSZ涂层的断裂面形貌图。可以看出2种涂层内部都由颗粒状和层状结构构成，同时还存有横向裂纹、纵向裂纹和孔。横向裂纹一般是由于颗粒在沉积过程中上下两层未完全结合造成的，因此，横向裂纹都存在于相邻两层之间的未结合界面。纵向裂纹的产生如上所述，由于熔融颗粒在沉积过程中急速冷却所形成的热应力释放所造成的。涂层中的孔是由于喷涂过程中颗粒内部的气体或者处于熔融颗粒之间的气体来不及析出造成的，或在沉积过程中熔融颗粒之间的不完全搭接造成的[12]。相比较而言，204NS粉末制备的涂层大颗粒多，熔融情况好，涂层致密。

图4 YSZ涂层截面形貌图

图4 为2种YSZ涂层的截面形貌图。从图中可以看出，涂层均呈现多孔层状结构且有明显的横向裂纹和纵向裂纹。图中椭圆表示未完全熔化的YSZ团聚粉末区，箭头所指的位置表示涂层中的孔，204NS粉末制备的涂层未完全熔化区面积较小且大孔较少。表2给出了2种YSZ涂层的密度和孔隙率，从表中可以看出，204NS粉末制备的涂层具有较高的密度和较低的孔隙率。总的来说，204NS粉末制备的YSZ涂层致密。

表2 YSZ涂层密度及孔隙率

2.2 热导率

表3给出了8wt%YSZ涂层在不同温度下的理论比热容。2种涂层的热扩散系数和热导率随温度变化曲线如图5所示。由图5可知，每种涂层的热扩散系数和热导率的变化趋势相似，都随着温度的上升先降低后增加。相比较而言，在600℃以后，204NS粉末制备的涂层的热扩散系数和热导率增加幅度较大。开始阶段，涂层的热导率主要受到生子散射的影响，随着温度的升高，涂层的热导率逐渐降低，高温时，涂层受到生子散射的影响降低，热辐射影响加重，光子导热贡献明显增大，使得涂层在600℃以后热导率增加[13]。在1 000℃下，204NS制备的涂层热导率为0.78 W/ m·K，比 204NS-G制备的涂层热导率高约20%。涂层中的气孔能够引起生子的散射，并且孔内的气体热导率很低，因此，气孔能够降低涂层的热导率[13]。相比204NS-G，204NS粉末制备的涂层孔隙率低，对生子的散射相对较弱，204NS粉末制备的涂层热导率相对较高。

表3 不同温度下8w t%YSZ涂层比热容理论值

图5 YSZ涂层热扩散系数和热导率的变化趋势

3 结论

（1）在相同喷涂参数下，204NS粉末制备的YSZ涂层比204NS-G粉末制备的YSZ涂层具有较高的密度和较低的孔隙率；

（2）在相同喷涂参数下，204NS粉末和204NSG粉末制备的YSZ涂层的热导率都随着温度的升高先降低后升高。在 1 000℃下，204NS制备的YSZ涂层热导率为0.78W/m·K，比204NS-G制备的YSZ涂层热导率高约20%。

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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，高级工程师，1984年毕业于重庆大学材料科学工程专业，现主要从事表面工程技术及新能源技术相关工作。