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孔隙率和热喷涂热障涂层性能,有啥关系?
2020年10月19日 发布 分类:粉体加工技术 点击量:379
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涡轮叶片是航空发动机的核心部件,也是航发工作环境最为恶劣的部件,因此制造涡轮叶片的难度极高,除了采用单晶或者定向合金作为制作材料外,还需要给它镀上一层对基底材料起到隔热作用,降低基底温度的“外衣”——热障涂层(简称TBC),才能算是达到使用要求。

热障涂层

既然如此,为了尽可能地达到最好的热防护效果,热障涂层的制作就很是关键。热障涂层一般都是由热绝缘的陶瓷层及抗氧化的金属黏结层构成,由于氧化钇、部分稳定的氧化锆具有较低的热导率和较高的热膨胀系数,因此被广泛用作航空航天、石油、化工等工业设备上的高温部件的热障涂层表面层陶瓷材料。

不过由于等离子喷涂工艺的特殊性,涂层中不可避免地存在着孔隙,它们在很大程度上左右着热障涂层的性能。到底孔隙对涂层来说是好还是坏,下面一起来看看。

热障涂层

热障涂层中的孔隙

1.孔隙对力学性能的影响

力学性能是直观地反映涂层质量的重要基本指标之一。有研究表示,孔隙的存在使热障涂层弹性模量降低,材料强度降低,而通过热处理能使陶瓷涂层更致密,杨氏模量和界面应变能增大,涂层力学性能得到增强。

但孔隙带来的也不全是坏处——由于等离子喷涂制备的热障涂层具有层片状结构的典型特征,有的存在贯穿性裂纹,有的裂纹平行于涂层表面,平行于涂层表面的裂纹结构容易导致涂层失效,对抗热震性十分不利。如果涂层孔隙率较高,且小孔径孔隙分布比较均匀,使得裂纹长度有效缩短,没有贯穿性裂纹和平行裂纹,且未完全熔融的小尺寸颗粒能够增加涂层的韧性,这对于抗热震性比较有利。这种孔隙将会吸收热震工况下的热应力,能够容纳较高的应力,使涂层具有较好的抗热震性能。

热障涂层

热喷涂 YSZ 涂层典型的层状结构

另外,王千文等在研究等离子喷涂热障涂层的隔热性能时,还证明了热障涂层孔隙率与热震寿命存在关系(关系图如下)——孔隙率增加,热震寿命也相应地增加。

热障涂层

孔隙率与循环次数的关系曲线

2.孔隙对热学性能的影响

孔隙不仅可以对热障涂层的力学性能产生影响,也会对涂层的隔热性能产生影响。根据Yugeswaran S和Hitoshi Fujimoto等的实验,孔隙在涂层内的分布、形貌、大小均会对热障涂层性能产生影响,粒子在撞击基体表面时,在正常碰撞的条件下,粒子会扩散并变成一个圆盘;在倾斜碰撞的条件下,碰撞后,在颗粒底部形成薄膜,并沿着基体表面扩散,形状也变得不均匀。产生孔隙最多的是在粒子交界处,裂纹容易在此生成,导致涂层的结合强度不高。用于耐腐蚀、高温抗氧化和高温抗冲刷等环境下的涂层,要求孔隙越少越好,而对于带有润滑剂的摩擦部件和在高温隔热条件下的基体表面,孔隙又是有利的。

静止的空气是热的不良导体,其热导率为0.026 W/(m·K),而氧化锆块材的热导率为1.8~2.35 W/(m·K),引入孔隙将显著降低陶瓷材料的热导率。在一定孔隙率的情况下,减小孔隙尺寸,将增加孔隙的数量及表面积,进而增加孔隙与陶瓷材料之间的界面数量。在一定的界面热阻条件下,界面数量越多,其导热能力越低,所以孔隙尺寸的减小可降低涂层的热导率。

涂层孔隙率与隔热温差的关系

热障涂层

总结

显然,孔隙对热障涂层性能的影响有利有弊。它的存在一方面可提高涂层的隔热性能,另一方面又会使涂层的综合力学性能下降。

在实际生产中,可根据工况将涂层孔隙率控制在一定范围内,可采用的手段有很多,包括但不限于:原始粉末孔隙尺度的设计与保留控制、造孔剂形貌及尺寸控制、热喷涂过程中临界等离子喷涂参数控制及孔隙后处理等。通过控制热障涂层的孔隙率,就能有效地在保证涂层综合力学性能的基础上,提高涂层的隔热性能,相信这也是未来一定时期内热障涂层发展的一个重要方向。

资料来源:

热喷涂热障涂层孔隙与涂层性能关系研究进展,贾涵,高培虎,郭永春,杨忠,王建东,李全平。

粉体圈 NANA整理


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