含镍和铝的氧化钇稳定氧化锆复合涂层的显微组织和抗氧化性能

2020-09-26范宏誉邢守义周细应袁建辉

上海金属 2020年5期

陈超范宏誉邢守义周细应王伟袁建辉

(1. 龙工(上海)机械制造有限公司，上海 201612; 2. 上海工程技术大学材料工程学院, 上海 201620)

热障涂层被广泛应用于汽轮机、喷气式发动机、燃烧室、隔热屏等设备的受热零件[1- 6]，可采用等离子喷涂(APS)[1- 3]及电子束物理气相沉积[4- 6]等方法制备，但这些方法的成本较高，并且难以应用于形状复杂的零件。电泳沉积技术简便且成本低，可在形状复杂的工件表面制备复合涂层，因此备受关注[7- 9]。此外，电泳沉积不存在陶瓷在烧结过程中体积收缩的问题[10- 11]。

本文采用电泳沉积法在CH4气氛中，在Inconel600 高温合金试样上制备了含镍、铝的氧化钇稳定氧化锆(yttria- stabilized zirconia，YSZ)复合涂层(YSZ/(Ni, Al))，研究了YSZ/(Ni, Al)复合涂层的显微组织、CH4气氛及镍与铝的摩尔比对YSZ/(Ni, Al)复合涂层抗高温氧化性能的影响。

1 试验材料与方法

采用乙酰丙酮作悬浮液，加入92% YSZ和4%镍粉及4%铝粉(质量分数，下同)，悬浮液质量浓度为40 g/L。经超声搅拌10 min后加入0.5 g/L 碘和0.1 g/L聚乙烯醇，再连续搅拌3 h备用。

采用电泳沉积技术在尺寸为20 mm×20 mm×3 mm的Inconel600 高温合金试样上沉积YSZ/(Al,Ni)复合涂层，试样用丙酮清洗。采用石墨作阳极，试样作阴极，板极间距为30 mm，沉积电压 120 V，沉积时间 60 s。将沉积涂层后的试样于1 100 ℃真空烧结2 h，真空度为6.67×10-3Pa；随后在甲烷气氛炉中1 100 ℃烧结2 h，炉压5×10-2Pa，炉冷；再将试样在1 100 ℃静止空气中氧化10、50 h。

采用扫描电镜观察涂层的表面和截面形貌；采用能谱仪检测涂层成分；采用X射线衍射仪分析涂层的微观结构及氧化产物的组成；检测3种镍与铝摩尔比不同(1∶3、1∶2和1∶1)的YSZ/(Ni, Al)复合涂层的微观结构。

2 试验结果与分析

2.1 YSZ/(Ni, Al)涂层的物相

图1为在1 100 ℃甲烷气氛中烧结2 h后 YSZ/(Ni, Al)涂层的 XRD图谱。图 1(a)表明：Ni、Al摩尔比为1∶3的复合涂层主要由t- ZrO2和ZrC组成；Ni、Al摩尔比为1∶2的复合涂层主要由AlNi3、ZrC和t- ZrO2相组成；Ni、Al摩尔比为1∶1的复合涂层主要由Ni相、ZrC和t- ZrO2组成，即3种试样的YSZ/(Ni, Al)涂层中均有ZrC生成。有研究表明[12]，YSZ复合涂层中的 ZrO2在高温下会与碳反应生成ZrC，可提高涂层的抗高温氧化性能。也有研究表明[13]，烧结过程中ZrC的形成有利于提高烧结后涂层的致密性。

图1 Ni、Al摩尔比为(a)1∶3、(b)1∶2和(c)1∶1的YSZ/(Ni, Al)涂层试样在1 100 ℃烧结2 h后的 XRD图

图2为YSZ/(Ni, Al)涂层试样在1 100 ℃静止空气中氧化10 h后的XRD图谱。从图2可以发现，经1 100 ℃氧化10 h后，Ni、Al摩尔比为1∶3的涂层主要由Al2O3和t- ZrO2相组成(图2(a))；Ni、Al摩尔比为1∶2的涂层主要由Al2O3、t- ZrO2和NiAl2O4组成(图2(b))；Ni、Al摩尔比为1∶3的涂层主要由Ni相、NiO和 t- ZrO2相组成(图2(c))。

图2 Ni、Al摩尔比为(a)1∶3、(b)1∶2和(c)1∶1的YSZ/(Ni, Al)涂层试样经1 100 ℃氧化10 h后的XRD图

图3为YSZ/(Ni, Al)涂层试样在1 100 ℃静止空气中氧化50 h后的XRD图谱。从图3(a)和3(b)可以发现，氧化50 h后，Ni、Al摩尔比为1∶3和1∶2的复合涂层主要由Al2O3和NiAl2O4相组成，说明涂层中的铝已被完全氧化。

图3 Ni、Al摩尔比为(a)1∶3、(b)1∶2和(c)1∶1的YSZ/(Ni, Al)涂层试样经1 100 ℃氧化50 h后的XRD图

2.2 YSZ和YSZ/(Ni, Al)涂层的形貌

图4为在1 100 ℃甲烷气氛中烧结2 h后YSZ涂层和不同Ni、Al摩尔比的YSZ/(Ni, Al)复合涂层的截面形貌。从图4可以看出，几种复合涂层的厚度大致为40 μm，YSZ涂层和Ni、Al摩尔比为1∶3的涂层与基体结合良好。相比于YSZ 涂层(图4(a))，Ni、Al摩尔比为1∶3的涂层孔洞较少(图4(b))。研究表明，烧结过程中ZrC相的形成有利于提高烧结后涂层的致密性。

图4 (a)YSZ涂层及Ni、Al摩尔比为 (b)1∶3和(c) 1∶2的YSZ/(Ni, Al)涂层在1 100 ℃甲烷气氛中烧结2 h后的截面形貌

图5和图6为YSZ涂层和Ni、Al摩尔比为1∶3和1∶2的涂层在1 100 ℃空气中氧化10和50 h后的截面形貌。从图5(a)可以看出，1 100 ℃氧化10 h的YSZ涂层中有微裂纹和孔洞，并且随着氧化时间的延长而增多。图5(b)表明，Ni、Al摩尔比为1∶3的涂层经1 100 ℃氧化10 h后，其外层与内层的形貌不同，外层孔隙较少且较致密。说明在氧化过程中涂层内生成的 Al2O3和NiAl2O4会填补涂层中的孔洞和微裂纹，从而提高了涂层的致密度。

图5(c)和图6(c)分别为Ni、Al摩尔比为1∶2的涂层在1 100 ℃氧化10和50 h后的截面形貌。从图中可以发现，Ni、Al摩尔比为1∶2的涂层在高温氧化过程中发生了裂纹自修复，这与文献[11]的研究结果一致。

2.3 YSZ和YSZ/(Ni, Al)涂层在1 100 ℃的氧化动力学

图7为YSZ涂层和YSZ/(Ni, Al)涂层的1 100 ℃氧化动力学曲线。从图7可以看出，高温氧化50 h后，Ni、Al摩尔比为1∶3和1∶2的涂层试样的增重分别为0.011 56和0.011 72 mg/mm2,小于YSZ涂层试样的0.022 97 mg/mm2。说明YSZ/(Ni, Al)复合涂层的抗氧化性能优于YSZ涂层。