ZrO2-Ni等离子喷涂涂层的残余应力

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1　前言
　　ZrO2-Ni系热障涂层在航空燃气涡轮发动机、燃气轮机上已得到应用。梯度热障涂层研究与开发的兴起促进了热障涂层的进一步发展。在等离子喷涂过程中，熔融粉末的沉积和基体的受热膨胀以及形成涂层时的收缩将会使涂层内产生残余应力，残余应力的大小对涂层性能有较大的影响。本研究采用X射线应力分析技术测试涂层表面的残余应力，通过测试喷涂前后试样曲率半径的变化估算涂层的平均残余应力，并进一步估算几种阶梯涂层内的平均残余应力及喷涂过程中涂层的平均温度，为分析热障涂层在冷热循环过程中的失效行为提供参考。
0 {9 |  Y8 A; ?* r4 R  L2　试验方法
　　采用高压氢还原包覆法制备不同成分配比的ZrO2-Ni复合粉末，成分为100.0、72.3、56.7、49.5、40.6、34.5、26.2、14.0和0.0vol%Ni(余量为8wt%Y2O3部分稳定的ZrO2)。基材为20mm×22mm×2mm的GH128镍基高温合金平板，喷涂前磨平使曲率近似为零，经砂处理后备用。采用等离子喷涂工艺制备各成分的单层涂层及多层涂层，多层涂层包括Ni/ZrO2二层、Ni/ZrO2-40.6vol%Ni/ZrO2三层、Ni/ZrO2-56.7vol%Ni/ZrO2-26.2vol%Ni/ZrO2四层和Ni/ZrO2-72.3vol%Ni/ZrO2-49.5volNi/ZrO2-34.5vol%Ni/ZrO2-14.0volNi/ZrO2六层阶梯涂层。ZrO2涂层的厚度约400μm，其它涂层约250μm，其它涂层约250μm。详细制备工艺参数见文献［1］。
　　用MSF-2903X射线应力分析仪测定涂层表面应力，靶材为Cu靶或Cr靶，Ni滤片。Cu靶时衍射晶面为Ni(420)，Cr靶时衍射晶面为Ni(311)和C-ZrO2(422)。工艺参数为：管压30kV，管流10mA，入射和接收Soller光阑张角0.68°，闪烁计数管管压1.2kV，扫描速度2°/min，时间常数85，X射线照射面积3mm×6mm，Ψ角选用0、25、35和45°，用半高宽法定峰位。
　　喷涂试样曲率半径的测试方法为：将试样用橡胶泥在压平器上压平，固定在活动平台上，基材面朝上，以基材面为XY平面，垂直方向为Z轴，均匀分划试样，选取13个位置用千分表测试其Z坐标，得到基材曲面上13点的坐标位置，对测试坐标点按球面方程用最小二乘法拟合，即可计算出其平均曲率半径。
3　结果与讨论
8 R& X. O9 i$ ~0 N4 S; C3.1　X射线应力分析［2，3］
1 H, [# U4 ]1 Z9 z9 p, t　　对不同成分单层涂层表面的Ni和ZrO2分别测定其峰位衍射角2θi随Ψi角的变化关系，以sin2Ψi为横坐标，2θ为纵坐标，对测试点进行直线拟合，计算其斜率Mi，并计算其相应的应力常数 ，于是可计算各组元的应力
σi=KiMi                                 (1)
近似认为涂层的总应力可按两相应力线性叠加
  Y6 v4 z. b6 e6 C6 |/ B) C2 N( Uσ＝σNiVNi+σZrO2VZrO2                                 (2)
# T( x( s* z, n# @% V9 U% U, E( V　　如此计算的涂层表面应力随成分的变化关系如图1所示，可以看到，涂层表面的残余应力较小，在几十兆帕范围内变化，均为拉应力。
3 X  h" y5 V* |: ~, y- r3.2　曲率测试应力分析
' r) D4 [! @8 p2 t3 L　　原位曲率测试以分析应力的方法已得到广泛应用［4-6］。测试喷涂前后试样曲率的变化亦可估算涂层内的残余应力。喷涂前磨平试样，曲率近似为零。喷涂后试样曲率半径R的测定按前述方法进行。
　　涂层内的平均应力可用其剪切力弯曲矩近似估算［7］。                                   (3)
其中E为弹性模量，h为厚度，下标f和s分别对应涂层和基材。由此计算的涂层平均应力与镍含量的关系亦示于图1，均高于X射线所测试的涂层表面应力。在高镍含量区，两者给出相似的变化规律，低镍含量区有一定差异，如图2所示，两者有较好的相关性。

) r& x# T) _3 J* s图 1　涂层残余应力与镍含量的关系
. u- \1 I8 y) \. [; h) eFig.1　Relationship between residual stress of
coatings and Ni content

" b1 l2 R0 a6 k图 2　X射线应力分析与曲率测试应力分析的相关性
Fig.2　Correlation between X ray stress analysis
3 w# y# v8 C- E" Oand curvature measurement stress analysis
' G! U1 o) g: ~! w' f, k　　对于多层试样采用类似的方法可估算各层内的平均残余应力，计算公式为                                  (4)
  y; R$ g' A8 K8 \4 F" X3 H; l　　其中i=0对应基材，对二层、三层、四层和六层阶梯涂层所有试样测试的结果汇于下表。可以看出，多层过渡结构不能改善涂层残余应力。
　　假设残余应力源于喷涂过程中涂层和基材冷却时的不同收缩，且近似取喷涂时基材平均温度T0＝600K，
表 　热障涂层各层内的平均残余应力
  L# H6 I5 o- RTable 　Average residual stress in each layer
of thermal barrier coating
涂层系统
+ @3 a9 q! H6 w  b曲率半径
& d/ d  s2 R+ b6 u, s/mm
结合应力
" Z' y6 _1 {; A- r5 i: v& k5 d/MPa
  \: U) L2 ^7 G# G0 M, M过渡层应力
3 u. U$ a2 X' l! p. S9 a/MPa
热障层应力
0 t) V+ g% w6 o4 q- H/MPa
. z& d2 ^$ a: |" O  b" M; l. r% w二层
3131
2 z7 p; |# _- j+ {) P67
　
106
三层
+ ]) n) R/ s% n. H% m0 Q3324
71
! N- V+ z+ p/ U$ p115
89
  E! q6 N1 U; \! k四层
3 Q/ P( E; v  I, E* A/ i% A  M. I1685
. `4 e9 o; D7 _5 G315
4 E" \: c; g: Y255/245
180
六层
2747
192
183/179/
166/154
% O4 d) Z5 f; x96
　　根据所测试的曲率半径可估算喷涂不同成分涂层的平均温度Tc及残余应力σf涂层和基材的应力分别为［8］
                                 (5)
, _4 M$ \2 R3 z6 m6 u                                  (6)
2 {9 B; O" V& C3 b0 S　　其中α为热膨胀系数。依据力平衡和力矩平衡条件可计算出ε0和Tc，于是可计算出σf(Z)，按厚度平均就得到了平均残余应力σf，所计算的平均残余应力和涂层喷涂温度如图3所示。如此计算的残余应力远高于直接按曲率半径计算的残余应力，但随Ni含量的变化规律相拟。Kuroda等人［4］对喷涂镍层残余应力的计算值和原位曲率法测量值分别为1060MPa和55MPa，前者和图3的估算值相近，后者和X射线应力分析结果相吻合，说明喷涂层中实际残余应力较小，计算时未考虑涂层的屈服，也无法计及涂层缺陷(如孔隙，微裂纹等)所松弛的应力，因而总比实际值要大得多。同时，图3还说明涂层喷涂平均温度随镍含量的增加而降低，在实际喷涂过程中喷枪的功率也是随镍含量的增加而降低，相应喷涂温度有着相似的变化规律。
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图 3　涂层平均残余应力和喷涂温度与镍含量的关系
$ w) W/ N$ H# y' i) i$ W7 Y# xFig.3　Average residual stress and spraying temperature
of coatings vs Ni content
3　结论
　　对不同Ni含量的ZrO2-Ni等离子喷涂层的X射线应力分析的表面应力和测试曲率半径计算的平均应力表明喷涂层的残余应力均为拉应力，两者有较好的相关性。但是，前者给出的应力值要小些，这是由于估算后者时未考虑缺陷影响和屈服现象，因而前者更接近实际应力状态。
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