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等离子陶瓷隔热涂层热强度实验研究 杨晓光 耿瑞 北京航空航天大学动力系 一、引言 隔热涂层又称热障涂层 (TBCThermalBarrierCoating)，实际上 就是将一种导热性很差的陶瓷材料通过特殊的工艺喷涂到涡轮部件 (导向 器、叶片)表面，厚度一般不超过0.5mm，虽然很薄但取得的效果还是非 常显著的。 发动机上使用隔热涂层的研究早在五十年代就开始了，并且有关部件 (如燃烧室、加力燃烧室等等)使用TBC也有30多年的历史。但过去它之 所以没有用在涡轮部件上，就是因为涡轮的工作条件非常恶劣，而当时 TBC的抗剥落能力又很差，所以一直没有在最需要它的部件上发挥作用， 但到了80年代，涂层工艺得到很大改进，同时TBC的寿命研究效果也令人 满意，这就使TBC在涡轮部件上的使用真正成为可能，至今为止，在美国 等离子涂层应用于涡轮导向器上己经有10多年的经验了。 二、试样制备和等离子喷涂 整个实验基本分为两个部分:1)涂层试件制备;2)涂层热疲劳实 将要进行实验的试件选用基体为DZ4的圆棒，以模拟可能的实际叶片情 况。其涂层体系如下表，并有GE公司的涂层体系做对比。试件尺寸为直径 为14毫米，长90毫米的圆棒江作段直径为13毫米，长60毫米) 表一 涂层结构 喷余设备 陶瓷层 粘 结层 基体 国内 Zr02-9%Y203(+CeO) NiCoCrAlY DZ4 设备:METCO-7M 常规等离子喷涂 常规等离子喷涂 (定向结晶) 厚度:0.25士0.05mm 厚度:0.13士0025俪 Zr02--8%Y203 NiCrAIY GE 常规等离子喷涂 低压等离子喷涂 RENE80 设备:METCO-7M 厚度:0.25土。.05mm 厚度:0.13士0.025mm 从表中可以看到本涂层系统结构与GE公司基本相同，这样做最主要目 的就是在以后理论分析时可以参考GE测得的有关性能数据，以弥补国内这 方面的不足。因国内的低压等离子喷涂技术尚未成熟，为了保证实验数据 的稳定性及可靠性，粘结层喷涂采用常规等离子技术。参考国外的经验， 161 试件直径定为13mm，这样可以较好的模拟发动机某些热部件的曲率，从而 检验喷涂时厚度能否保证均匀，涂层的寿命会有多大的变化。R5mm的倒 园目的是使陶瓷层的厚度在边缘能逐渐过渡，减少热应力集中，避免热循 环实验中涂层在该处过早脱落。这也是考虑到现有的国内水平，以后随着 工艺的不断提高，还得着重考核一下涂层的边缘效应，以便能在发动机上 更加灵活使用。 试件喷涂时基本包括下面几个过程:1)基体材料热处理;2)基体表面 处理:3)喷粘结层;4)试件清洗 (丙酮)，5)喷陶瓷层。 在喷涂时，对粘结层、陶瓷层原料的粒度、喷粉速度、基体温度、喷 枪与工件距离都有要求，这里不再说明。 喷涂结束后对试件检验发现:因为试件的直径很小，所以涂层厚度很 难保证，之后对涂层超差的试件在磨床上做了补加工。 三、涂层热疲劳实验 涂层热疲劳实验目的研究隔热涂层热疲劳试验方法，考核国内等离子 涂层寿命，观察分析失效形式及其微观形态。主要实验设各有:1)电炉 (主要用于涂层氧化试验);2)热疲劳试验机:主要用于涂层热不匹配试验 及热不匹配+氧化试验 实验选用两个方案:1)用1-2分钟从室温加热到1000-11000C，保7Iim不 超过3分钟，然后用约3分钟吹冷至室温。2)基本同上，但保温时间延长至 45-50分钟。方案1主要考核涂层抗热膨胀不匹配得能力(热应力)，方案2 考虑到了氧化对热疲劳的影响。 实验主要分