喬新義，傅斌友，汪瑞軍

（中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院，北京 100083）

隨著航空發(fā)動機(jī)對高性能、長壽命熱障涂層需求的增加以及燃?xì)鉁u輪生產(chǎn)部門市場競爭的不斷增強(qiáng)，進(jìn)一步提高YSZ涂層性能并降低其生產(chǎn)成本成為研究熱點(diǎn)。內(nèi)送粉等離子噴涂工藝通過將粉末材料送入噴槍內(nèi)部的較高溫區(qū)（圖1中的區(qū)域II或區(qū)域III），顯著增強(qiáng)等離子射流對粉末顆粒的加熱效果，有效提高涂層的粘結(jié)性能和粉末沉積效率，日益引起研究人員的關(guān)注[1-2]。中國農(nóng)機(jī)院表面工程技術(shù)研究所自主開發(fā)了亞音速內(nèi)送粉等離子噴涂槍，同時(shí)針對YSZ熱障涂層制備開展了系統(tǒng)的工藝研究。研究發(fā)現(xiàn)，內(nèi)送粉等離子噴槍在較高的噴涂功率下制備的涂層性能并不理想，然而降低功率、增大主氣流量后涂層結(jié)合強(qiáng)度和抗熱震性能得到大幅提升。

圖1 數(shù)值模擬得出的等離子射流溫度場分布Fig.1 Numerical simulated temperature distribution of a plasma jet

為了探究噴涂功率對內(nèi)送粉等離子噴槍制備YSZ熱障涂層微觀結(jié)構(gòu)和性能影響規(guī)律的深層原因，本文采用多種手段表征了內(nèi)送粉等離子噴槍在高、低噴涂功率時(shí)YSZ粒子的熔化狀態(tài)（包括粒子溫度、粒子飛行速度、粒度分布及扁平粒子形貌）[3-6]。同時(shí)，比較了相對應(yīng)的涂層微觀結(jié)構(gòu)和性能，以揭示內(nèi)送粉等離子噴槍噴涂YSZ粒子熔化狀態(tài)與涂層微觀結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)系。

1.試驗(yàn)過程

1.1 試驗(yàn)材料及方法

本實(shí)驗(yàn)采用納米團(tuán)聚YSZ粉末作為噴涂材料，粉末粒度范圍38～61μm。圖2為粉末表面SEM形貌，圖3是粉末截面金相形貌，可見原始粉末是由納米顆粒團(tuán)聚并等離子球化造粒而成，粉體內(nèi)部較致密。

圖2 粉末表面形貌Fig.2 Surface SEM image of YSZ powders

圖3 原始粉末截面形貌Fig.3 Optical image of the cross section of a YSZ particle

采用內(nèi)送粉等離子噴槍分別在高功率和低功率下噴涂YSZ粉末，表1所示為噴涂工藝參數(shù)。采用粒子在線檢測儀測量粒子溫度和飛行速度，測量距離為90mm；在距噴嘴出口90mm處迅速放入不銹鋼薄板，收集扁平粒子；調(diào)整機(jī)械手姿態(tài)使等離子噴槍豎直向下，下面放置裝滿蒸餾水的容器，水面距噴嘴出口300mm，噴涂5min后將液料烘干收集噴涂粒子，然后檢測粒子粒度分布。

表1 不同功率時(shí)的噴涂工藝參數(shù)Table 1 Spray parameters at different arc power

1.2 表征方法

采用Spray Watch 2i科研型粒子在線監(jiān)測系統(tǒng)測量粒子溫度及飛行速度。采用金相顯微鏡觀察扁平粒子形貌及涂層微觀結(jié)構(gòu)。采用SEISHIN LMS-30型激光粒度分布儀測量原始粉末及水中收集粒子的粒度分布。依照GB/T8642-2002《熱噴涂·抗拉結(jié)合強(qiáng)度測定》規(guī)定測試方法測量涂層結(jié)合強(qiáng)度，使用DZ-150KN拉伸試驗(yàn)機(jī)對試樣進(jìn)行加載測試。將涂層隨試片彎曲180（°）測試涂層背彎性能。采用箱式電阻爐測試涂層抗熱震性能，涂層熱震溫度為1100℃，保溫10 min，取出后迅速投入20±5℃水中淬冷，照相記錄涂層水淬后的表面形貌。

2.試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 粒子溫度及飛行速度

表2所示為高、低功率時(shí)測得的粒子平均溫度和飛行速度?？梢钥闯?，提高噴涂功率后粒子溫度無明顯變化，但粒子飛行速度略有增加。這是由于采用內(nèi)送粉方式噴涂YSZ時(shí)，較低的噴涂功率（33.6kW，電流480A，電壓70V）狀態(tài)下等離子射流熱量就可以使納米團(tuán)聚YSZ粉末（熔點(diǎn)2700℃）外部區(qū)域熔化良好。繼續(xù)升高功率時(shí)，等離子射流能量增大，但是傳遞至YSZ粒子熱量的增加量主要用于加熱粉末內(nèi)部未熔納米顆粒，外殼處溫度上升不明顯。此外，收集噴涂粒子的粒度分布結(jié)果顯示，高功率時(shí)粒子出現(xiàn)細(xì)化現(xiàn)象，導(dǎo)致液滴比表面積增大，散熱效果增強(qiáng)，在射流尾部溫度較低的區(qū)域發(fā)生部分凝固，降低了粒子平均溫度，因此高功率下粒子平均溫度幾乎沒有變化。對于高功率下粒子平均飛行速度增大的現(xiàn)象，分析認(rèn)為高功率時(shí)氣體電離度較大，等離子射流速度增大，傳遞給粒子的動能增加，故粒子速度增大。

表2 不同噴涂功率時(shí)測得的平均溫度和飛行速度Table 2 Particles average temperature and velocity sprayed at different arc power

2.2 粒子粒度分布

圖4所示為原始粉末及水中收集顆粒的激光粒度分布測試結(jié)果?？梢钥闯?，等離子噴槍采用內(nèi)送粉后，在高、低功率時(shí)均發(fā)生了粒子間粘結(jié)現(xiàn)象，出現(xiàn)大于100μm的顆粒，如圖4(b)和(c)所示。然而，高功率時(shí)粒子發(fā)生了明顯的細(xì)化現(xiàn)象，出現(xiàn)了大量小于32.78μm的顆粒。這是由于高功率下等離子射流熱焓值較高，粒子被瞬間熔化，熔融顆粒的內(nèi)聚力小于等離子射流的剪切力，被撕裂細(xì)化成小粒徑顆粒。采用低噴涂功率時(shí)，熔融粒子粒徑與原始粉末粒度分布相似，結(jié)合粒子溫度測試結(jié)果可知，選擇合適的低功率噴涂，既能保證噴涂粉末熔化充分，又能保證熔融粒子不發(fā)生細(xì)化，進(jìn)一步確保粒子撞擊到基體后的鋪展面積，即形成涂層扁平粒子的尺寸。

圖4 顆粒粒度分布圖Fig.4 Size distribution of original particles (a) and particles sprayed at high (b) and low (c) arc power level

2.4 扁平粒子形貌

圖5所示為使用放大倍數(shù)×100和×500倍的金相顯微鏡觀察的不銹鋼薄板上扁平粒子形貌?？梢?，高功率下出現(xiàn)大量扁平化程度較低的細(xì)化顆粒，如圖5 (a)中低放大倍率下的觀察圖所示，它們會影響粒子間的粘結(jié)，從而降低涂層的結(jié)合強(qiáng)度。此外，高噴涂功率下粒子熔化更充分，熔融粒子撞擊到基體上形成的扁平粒子周圍出現(xiàn)大量濺射物，如圖5 (a)中高放大倍率下的觀察圖所示。低功率下熔融粒子撞擊到基體上形成的粒子扁平化效果較好，粒子鋪展良好，如圖5 (b)高放大倍率下的觀察圖所示，其周圍僅出現(xiàn)輕微濺射現(xiàn)象，保證了涂層具有良好的粘結(jié)性能。

圖5 扁平粒子表面形貌Fig.5 Optical images of the splats sprayed at high (a) and low (b) arc power level

2.5 涂層微觀結(jié)構(gòu)和性能對比

圖6所示為高、低功率下制備的涂層截面微觀形貌，表3所示為涂層結(jié)合強(qiáng)度測試結(jié)果，圖7為涂層拉伸斷面形貌。可以看出，高功率時(shí)涂層出現(xiàn)橫向裂紋，降低了涂層的粘結(jié)性能，結(jié)合強(qiáng)度平均值僅為22.58MPa。拉伸斷面顯示YSZ陶瓷層過熔呈淡黃色，與粘結(jié)層界面結(jié)合較差，涂層彎曲180（°）后陶瓷層間發(fā)生較大面積的剝離；低功率下粒子熔化良好，孔隙分布均勻，未出現(xiàn)橫向及縱向裂紋，結(jié)合強(qiáng)度平均值為37.25MPa。拉伸斷面出現(xiàn)大面積膠斷現(xiàn)象，說明涂層層間及內(nèi)部結(jié)合良好，涂層彎曲180（°）后陶瓷層只有一處發(fā)生剝離。圖8所示為涂層經(jīng)歷不同水淬后的表面形貌，可以看出高功率制備的涂層在40次開始出現(xiàn)剝落，97次后出現(xiàn)大面積剝落；低功率制備涂層在43次后開始出現(xiàn)剝落斑點(diǎn)，130次后試片發(fā)生嚴(yán)重變形，但試片中心涂層仍保持完好，顯示出優(yōu)良的抗熱震性能。

圖6 涂層微觀結(jié)構(gòu)Fig.6 Microstructure of the coatings sprayed at high(a) and low (b) arc power level

表3 不同噴涂功率時(shí)的涂層結(jié)合強(qiáng)度測試結(jié)果Table 3 Test result of coatings adhesion strength sprayed at different arc power

圖7 涂層拉伸斷面形貌Fig.7 Rupture surface pattern of YSZ coatings after adhesion strength testing, sprayed at high(a) and low (b) arc power level

圖8 涂層不同水淬次數(shù)后的表面形貌Fig.8 Surface pattern after different times water quenching of the coatings sprayed at high(a, b) and low (c, d) arc power level

3.結(jié)論

（1）內(nèi)送粉等離子噴槍采用高噴涂功率42.5kW時(shí)，YSZ粒子過度熔化導(dǎo)致粒子發(fā)生細(xì)化現(xiàn)象，扁平粒子周圍出現(xiàn)大量濺射物，同時(shí)也出現(xiàn)大量細(xì)小顆粒，沉積后的涂層出現(xiàn)橫向裂紋，結(jié)合強(qiáng)度平均值22.58MPa，彎曲性能和抗熱震性能較差。

（2）內(nèi)送粉等離子噴槍采用低噴涂功率33.6kW時(shí)，即能保證粒子熔化充分，又不會導(dǎo)致粒子發(fā)生明顯細(xì)化，扁平粒子鋪展良好，有利于提高涂層粘結(jié)性能，沉積后的涂層孔隙分布均勻，未出現(xiàn)橫向及縱向裂紋，結(jié)合強(qiáng)度平均值37.25MPa，彎曲性能和抗熱震性能良好。