未烧结纳米YSZ粉体沉积及其对纳米涂层结构和性能的影响

发布时间：2020-04-22 05:21

【摘要】：纳米结构热障涂层优良的隔热以及抗热冲击性能使其成为行业应用和研究的焦点。等离子喷涂纳米陶瓷团聚粉体形成的涂层具有“bimodalstructure”,具有该陶瓷涂层结构的热障涂层被认为是极具应用潜力的新型热障涂层。涂层的优良性能与“bimodal structure”中纳米区域的含量和结构密切相关,但“bimodal structure”的构成对喷涂参数非常敏感,结构调控和性能优化难度较高。本文利用粉体属性对涂层结构的影响来研究纳米涂层结构的调控问题,并针对造粒后不同烧结工艺产生的团聚粉体属性差异对涂层结构控制带来的不利影响,采用未烧结纳米YSZ团聚粉体,通过喷涂试验研究其在增加纳米区域含量和促进涂层性能提升上的优势。并在此基础上研究降低稳定剂Y_2O_3含量对纳米结构热障涂层性能的作用以及降低环境压力对涂层结构的影响,这对纳米结构热障涂层的性能优化有重要意义。在常压下采用试验研究的方法,研究通过喷涂参数调节和使用未烧结粉体来实现涂层中纳米区域含量的提升,分析涂层的结构与性能特征。结果表明,单一采用降低射流温度的方式提高纳米区域含量将以牺牲涂层质量为代价,导致YSZ涂层与粘结层界面在承受热冲击时发生分离,降低热障涂层的可靠性。而使用未烧结粉体可在不影响涂层质量的基础上提高涂层中纳米区域的含量,并可较相同条件下烧结粉体沉积涂层获得约10%的孔隙率提升,进而使涂层表现出良好的隔热性能与较低的热导率。另外,针对未烧结粉体的沉积问题,通过改进喷枪以及调节造粒时粘结剂的添加比例,将粉体沉积效率提高到了(20.2-40.6)%。同时发现未烧结粉体的高孔隙率特征使其对射流温度变化的敏感度降低,在连续改变电流时可形成具有相近纳米区域含量但性能不同的涂层,便于对涂层结构的优化和控制,这是使用烧结粉体不能实现的。在纳米涂层结构研究的基础上,选取3 mol%与5 mol%Y_2O_3-ZrO_2未烧结纳米团聚粉体制备涂层,对比分析两种涂层的抗高温烧结与抗热震性能。试验结果表明,3 mol%与5 mol%Y_2O_3-ZrO_2纳米涂层在1400 ℃下烧结至100 h时,均能够保持较高的孔隙率和抗裂纹扩展能力,其中3 mol%Y_2O_3-ZrO_2涂层烧结硬化速率低于5 mol%Y2O_3-ZrO_2涂层,且具有较长的热循环寿命。因此,当形成纳米涂层时,YSZ构成由5 mol%Y2O_3-ZrO_2调整为3 mol%Y2O_3-ZrO_2更有利于热障涂层性能提升。利用实验室自主研发的低压等离子喷涂系统,在5000Pa下对未烧结粉体进行喷涂试验。研究结果表明,低压下等离子射流性质的改变使未烧结粉体在350A电流下沉积后形成了一种新型纳米涂层结构。显微硬度Weibull曲线分析结果证实该涂层结构仍具有“bimodal structure”特征,但在形貌上却呈现近乎全部细等轴晶结构。另外,未烧结粉体的松装密度会影响涂层结构,相同条件下低松装密度(0.95 g/cm~3)的粉体形成的涂层等轴晶的尺寸更细小。
【图文】：

涂层结构,柱状晶,完全熔化

进的纳米技术相结合［４１］，利用大气等离子喷涂技术喷涂纳米结构团聚体颗粒，控逡逑制颗粒在射流中的温度使其略高于材料熔点，，使粉体颗粒在与基体碰撞沉积前仅逡逑发生部分熔化，形成由完全熔化的液相包裹内部固相纳米颗粒的结构，如图１．５ａ。逡逑在基体表面作用沉积时，完全熔化的液相充当粘结剂将未熔化纳米颗粒固定在涂逡逑层中，使涂层同时包含致密的凝固结晶区域（完全熔化区域）以及与团聚体颗粒相逡逑－６－逡逑

纳米涂层,涂层结构,等离子喷涂,形成机制

逡逑近的纳米颗粒堆垛区域（纳米区域），如图１．５ｂ。热喷涂领域将这种涂层结构称为逡逑“ｂｉｍｏｄａｌ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ”纳米涂层，也将其直接简称为纳米涂层【４２］。逡逑S枚义希粒纾纾欤铮恚澹颍幔簦澹溴危校幔颍簦椋幔眨赍澹恚澹欤簦澹溴澹樱铮欤椋溴澹螅簦幔簦澹罚掊澹危紊怼獋逡逑ｐｏｗｄｅｒ逦ｐｏｗｄｅｒ逦ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ逦＊逡逑（ａ）邋Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ邋ｏｆ邋ｃｏａｔｉｎｇ邋ｆｏｒｍａｔｉｏｎ逦（ｂ）邋Ｔｙｐｉｃｉａｌ邋ｂｉｍｏｄａｌ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ逡逑图１．５等离子喷涂纳米涂层形成机制与涂层结构特征逡逑Ｆｉｇ．邋１．５邋Ｔｈｅ邋ｍｅｃｈａｎｉｓｍ邋ｏｆ邋ｐｌａｓｍａ邋ｓｐｒａｙｅｄ邋ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ邋ｃｏａｔｉｎｇ邋ａｎｄ邋ｔｈｅ邋ｆｅａｔｕｒｅ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ逡逑引入纳米区域之后陶瓷涂层的性能得到显著地提升。Ｗｕ等［４３］的试验结果表明逡逑“ｂｉｍｏｄａｌ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ”纳米涂层较传统涂层热导率降低４０％，热循环寿命提高２．５倍。逡逑Ｌｉｍａ等Ｍ制备的具有疏松纳米结构的涂层，较传统涂层热扩散系数降低了约６０％，逡逑同时在高温加热时表现出明显的耐烧结性［４５］。丁传贤［４６］与Ｇｉｒｏｌａｍｏ＾等的试验结逡逑果表明含有“ｂｉｍｏｄａｌ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ”的纳米ＹＳＺ涂层抗热震性能要较传统结构涂层更加逡逑优良。尽管如此，等离子喷涂纳米结构陶瓷粉体形成的涂层并非真正的纳米涂层，逡逑而是一种由两种晶粒尺度结构（淬冷凝固形成的微米级柱状晶和未熔纳米颗粒）组逡逑成的复合结构，其中，涂层的优良性能取决于纳米区域在两种结构中所占的比例。逡逑根据影响等离子喷涂涂层性能的因素
【学位授予单位】：大连海事大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ174.758.16

【参考文献】