1引言 等離子噴涂陶......



1 引言
等離子噴涂陶瓷-金屬梯度涂層是應航空、航天、兵器等高技術迅速發展的需要于近年來開發出來的一種新型熱障涂層，其成分(或組元)

沿厚度方向呈梯度化分布，能夠充分緩和因溫度梯度形成的熱應力［１－４］。考察梯度涂層的抗熱震性能，研究其熱震失效機理，對于優化

梯度涂層的成分分布，開發涂層的后處理新工藝，進一步提高涂層的抗熱震性能、延長其使用壽命和擴大其應用范圍具有重要意義。本文通過

熱循環試驗探討了鈦合金表面等離子噴涂ZrO２-NiCoCrAIY梯度涂層的抗熱震行為。
2 實驗方法
本文采用大氣等離子噴涂法在5mm厚TC4(Ti-6Al-4V)基體表面制備了兩種成分分布方式的熱障涂層，分別稱之為雙層涂層(記為DC)和梯度

涂層(記為GC)，如下表所示。涂層總厚度為1.4mm左右，其中每一層的實際厚度與設計厚度的誤差控制在0.015mm之內。DC試樣與GC試樣的厚度

一致，目的是在相同試驗條件下具有可比性。
等離子噴涂熱障涂層的組成分布設計表
涂層結構
底層 第二層 第三層 第四層 第五層 表面層
成份含量(vol%) 100%N 20%Z+N 40%Z+N 60%Z+N 80%Z+N 100%Z
厚度
(mm) GC 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.4
DC 0.6 - - - - 0.8

圖1 拉伸強度測試方法示意圖
(a)粘結強度；(b)內聚強度
1-拉伸偶；2-涂層；3-基體
將涂層側面磨光制備金相試樣，采用光學顯微鏡觀察梯度涂層的組織分布狀況。在Instron-1186電子萬能試驗機對兩類涂層進行拉伸試驗(試

驗方法如圖1所示)，測定涂層與基體的粘結強度(圖1a)和涂層的內聚強度(圖1b)。試樣直徑為φ17mm，試樣與拉伸偶之間用環氧樹脂膠結。

采用試樣整體加熱、淬水冷卻的熱循環方式進行熱震試驗，考察梯度涂層與雙層涂層在不同受熱溫度條件下的熱震行為。將試樣分別于700°C

、900°C、1000°C、1100°C和1200°C保溫20min后取出淬水，如此反復循環直至涂層剝落或破壞，記錄熱循環次數。涂層試樣尺寸為15×8

×6.4ｍｍ３，采用掃描電鏡(SEM)和能譜儀(ED)研究涂層的熱震失效特征。
3 結果與分析
3.1 梯度涂層的宏觀組織特征
圖2為梯度涂層的宏觀金相組織照片。圖中左部為TC4基體，涂層中呈白色的組織為NiCoCrAlY，呈灰色的組織是ZrO２。從基體至涂層表面，沿

涂層厚度方向，ZrO２的含量逐漸增多，NiCoCrAlY的含量則逐漸減少，表現出組元成分的連續梯度化分布。而雙層涂層中因陶瓷表面層與金屬

底層直接結合，致使在涂層中存在著成分的突變和由此形成的宏觀界面，如圖3所示。由此可見，成分梯度化分布將涂層間的宏觀結合方式轉

化成了噴涂粒子間的微觀結合方式，并且其微觀結合界面彌散分布于各成分區域之中，從根本上消除了涂層中的成分躍變現象和由此造成的宏

觀結合界面。

圖2 ZrO２-ＮｉＣｏＣｒＡｌＹ梯度涂層的截面金組織照片
圖3 ZrO２-ＮｉＣｏＣｒＡｌＹ雙層涂層的金相組織照片
圖4 兩種熱障涂層的拉伸試驗結果
3.2 梯度涂層的結合強度
涂層的結合強度包括涂層與基體的結合強度(即粘結強度，記作CS)和涂層層間結合強度(即內聚強度，記作AS)，采用拉伸試驗對涂層的兩

種結合強度進行了評價，如圖4所示。由圖可見，梯度涂層的兩種結合強度均高于雙層涂層的強度。內聚強度取決于層間粒子的結合強度，粘

結強度取決于NiCoCrAlY粒子與TC4基體的結合狀況，并都受到涂層中殘余應力的影響。成分梯度化分布消除了涂層中的宏觀層間界面，和由此

造成的物理性質突變，因此改善了層間粒子結合狀況，緩和了涂層中的制備應力，使涂層的結合強度得以提高。
兩種涂層的內聚強度值均大于粘結強度值，并且測定粘結強度時，在外加拉應力的作用下，兩種涂層的拉伸斷裂位置均處于涂層與基體的

結合界面，涂層與基體發生機械分離，這說明NiCoCrAlY底層與鈦合金基體的結合界面是整個涂層-基體體系中的最薄弱之處。
3.3 梯度涂層的抗熱震行為
圖5為兩類熱障涂層的抗熱震循環試驗結果。由圖可見，梯度涂層的抗熱震溫度高于雙層涂層，即雙層涂層在1100°C、1次循環后失效，

而梯度涂層在1200°C、1次循環后方才失效；在相同熱震試驗溫度下，梯度涂層的抗熱震循環次數明顯多于雙層涂層，并且隨試驗溫度的降低

，梯度涂層的抗熱震循環次數更顯著的增多，尤其在900°C試驗時，梯度涂層經歷了近55次熱循環后方才失效，而雙層涂層僅僅經受了大約10

次熱循環即失效。由此可見，梯度涂層的抗熱震性能優于雙層涂層。
涂層的抗熱震性能取決于涂層中熱應力的大小和涂層的結合強度［８］。在熱震試驗條件下，由于ZrO２、ＮｉＣｏＣｒＡｌＹ和TC4基體

的熱膨脹系數不相同，導致在涂層的各部分內部形成熱應力，并在結合界面上形成應力集中。梯度涂層的成分呈梯度化分布，克服了陶瓷表面

層與金屬底層間的物理性質突變現象，緩和了涂層中的熱應力及界面應力集中，因此其抗熱震性能得以顯著提高［５］。

圖5 兩種熱障涂層的熱震試驗結果
另外，由圖5還可看出，兩類涂層的熱循環次數隨著試驗溫度的變化趨勢不同，隨著試驗溫度的升高，雙層涂層的循環次數基本上呈線性降低
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，而梯度涂層的循環次數則呈非線性變化。這種變化趨勢可能與涂層的熱震失效方式隨溫度的變化有關。在900-1100°C的試驗溫度范圍內，

雙層涂層的失效方式未發生變化，均表現為涂層整體自基體表面剝落，斷面較為平整，表明涂層與基體為機械分離。梯度涂層的失效方式則隨

試驗溫度的改變而變化，在1100°C和1200°C試驗時，梯度涂層整體自基體表面剝落，剝離面平整，表現為涂層與基體的機械式分離；在1000

°C試驗時，梯度涂層也自基體表面剝落，但其剝離面凹凸不平，表現為部分區域發生涂層與基體機械分離，而另一部分區域則以撕裂基體表

面層的方式發生剝離；在900°C試驗時，其失效方式發生了較大的改變，表現為涂層的縱向斷裂和一部分涂層自基體表面剝落，如圖6所示。

梯度涂層的失效方式隨試驗溫度的改變而發生變化的現象反映出涂層在經受不同程度的熱沖擊應力的作用時，其失效行為有所不同。
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