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1、用HVOF喷涂Y2O3稳定的ZrO2热障涂层 TabbethaA.Dobbins等 国外机车车辆工艺http://www.sunspraying.com/ 摘 要:高速氧燃气(HVOF)热喷涂已经被成功地用来在热障涂层(TBC)应用领域沉积氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)涂层。使用氢气作为燃气,在范围有限的喷涂条件下得到了结合良好的涂层。经对喷涂参数,如氢氧比、喷涂距离以及基体冷却进行研究发现,喷涂距离对涂层质量影响明显。在所试验的各种氢氧比的条件下,从喷枪出口起,在75mm到125mm内得到了结合良好的涂层。与空气等离子喷涂(APS)沉积的YSZ涂层相比,HVOF沉积涂层
2、以正方晶体相形式表现出更好的稳定性,并且具有一致的的密度、表面粗糙度和横截面显微硬度。特别值得注意的是,HVOF涂层的横断面揭示出更加均质的结构。很多理论模型预测在HVOF火焰里,YSZ不可能被熔化,因此,用这一工艺不可能沉积出可靠的YSZ涂层。在本研究工作中得到的试验结果是:在HVOF枪作业时燃烧室的压力高达0.39MPa,使得绝热火焰温度值达到了氧化锆的熔点以上。在这种条件下,Ranz-Marshell热传输模型预测HVOF喷涂粒子的表面温度Tp高到足以使得小的氧化锆粒子(10μm)被部份熔化,Tp=(1.10～0.95)Tm。进一步的分析证明,对于较大的粒子(38μm)
3、,当粒子温度Tp=(0.59～0.60)Tm时,即产生了结合良好的涂层,这表示在HVOF喷涂中,烧结可能对氧化锆的沉积起到一定的作用。这些结果表明对于有着粒子尺寸分布范围较大的粉末可能存在着2种不同的结合机理。 关键词:HVOF;热障涂层;TBC;氧化锆;热喷涂沉积 引言 热障涂层(下称TBC)用于降低涡轮机零件表面温度,最多可降低140℃。在温度超过1300℃的工作条件下,TBC具有允许零件在更高的温度下工作或使零件具有更长的使用寿命的潜力。然而,TBC的寿命和可靠性仍然存在问题,这是因为热冲击(由热循环引起)和结合底层的氧化可导致TBC的剥落。使用当前适用TBC涂层
4、的技术来改善这些涂层,如电子束物理气相沉积(下称EB-PVD)或空气等离子喷涂(下称APS)均成本过高且过于费时。高速氧燃气(下称HVOF)由于其工作原理简便,既不像EB-PVD那样需要高真空,也不像APS沉积层那样需要一台高电压(直流40～80kW)电源,所以,用它来改善涂层是一种更为简便的方法。 HVOF热喷涂技术近年来已经吸引了越来越多的注意,这是因为它能够将低熔点复合物和合金粉末,如WC-Co,Cr3C2-NiCr,TiC-Ni,Inconel718,Inconel725以及铜镍铟合金等,沉积出高度致密的涂层。但是由于HVOF的沉积温度低得多,可能无法在火焰中完全熔
5、化氧化钇稳定的氧化锆(下称YSZ)粒子涂层,所以用HVOF喷涂工艺沉积YSZ涂层的可能性在很大程度上被忽视,传统上是使用APS喷涂YSZ进行TBC沉积,这是因为等离子体所产生的射流温度可高达14000K,此温度一般能保证在沉积时粒子的完全熔化。运用热喷涂技术沉积出可靠涂层的一个基本要求是在沉积过程中粒子的完全熔化。实际上,HVOF燃烧室中火焰的绝热温度取决于所使用燃气种类、燃气-氧气比、气体流量以及燃烧室压力。据有关报道,使用乙炔气,丙烯气和氢气在HVOF中所能达到的最高温度分别是3160℃、2896℃和2856℃。然而,为维持喷枪铜喷嘴结构完整性所必须的冷却,将从火焰中带走
6、约5～25kW.h的热量,使得能用于加热YSZ粒子的能量更少。YSZ是一种高熔点耐火陶瓷,其熔点高达2677℃。而且,氧化锆的低导热率(1.1W/m/K)使粒子内部的热传导和40μm直径粒子的心部熔化造成问题。这样大小的粒子在热喷涂沉积工艺的使用材料中具有典型性。 若干研究者对陶瓷粒子在HVOF射流中的飞行熔化和冲击行为进行了模型化处理。Joshi构成了一个包括Knudsen非平衡效应在内的粒子加热和加速的有限差分模型。根据Joshi模型,在HVOF火焰中,Knudsen非平衡效应对于在HVOF火焰中尺寸小于50μm喷射粒子的热传导会有很大的冲击。根据Joshi模型计算了在
7、HVOF火焰中氧化铝和氧化锆粒子的心部温度。该模型预测对于直径小到10μm的氧化锆粒子,其心部仍残余有未熔化的部份。这一模型的结论使得用HVOF方法熔化氧化锆沉积层看来已不可能。 还有若干模型提出,为使HVOF过程能沉积出成功的氧化锆涂层,完全的熔化并非是绝对必要的。Kadyrov等将粒子与基体碰撞的效应计算在内,以决定氧化锆粒子在HVOF沉积过程中的熔化行为。它表明,如果粒子的全部动能都转化成热量,这一热量在粒子冲击时又被再吸收,那么在超音速射流中被加速的直径10μm的氧化锆粒子能达到94%的熔化状
