等离子喷涂热障涂层材料弹性模量与硬度的压痕测试分析

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1、６６材料工程／２０１１年１０期等离子喷涂热障涂层材料弹性模量与硬度的压痕测试分析ＩｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｓｏｆＥｌａｓｔｉｃＭｏｄｕｌｕｓａｎｄＨａｒｄｎｅｓｓｏｆＡｉｒＰｌａｓｍａＳｐｒａｙｅｄＴｈｅｒｍａｌＢａｒｒｉｅｒＣｏａｔｉｎｇｓｂｙＮａｎｏｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎＭｅｔｈｏｄ毛卫国，陈强，张斌，万杰（湘潭大学材料与光电物理学院低维材料及其应用技术教育部重点实验室，湖南湘潭４１１１０５）ＭＡＯＷｅｉ－ｇｕｏ，ＣＨＥＮＱｉａｎｇ，ＺＨＡＮＧＢｉｎ，ＷＡＮＪｉｅ（ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＬｏｗＤｉｍｅｎｓｉｏｎａｌＭａｔｅｒｉａｌｓａｎ

2、ｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（ＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ），ＦａｃｕｌｔｙｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓ，ＯｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓａｎｄＰｈｙｓｉｃｓ，ＸｉａｎｇｔａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉａｎｇｔａｎ４１１１０５，Ｈｕｎａｎ，Ｃｈｉｎａ）摘要：采用纳米压痕法，研究了经高温热循环处理后的等离子喷涂热障涂层材料弹性模量和硬度的抛物线式演变规律，并采用Ｗｅｉｂｕｌｌ统计分析方法对纳米压痕测试数据进行了处理和分析，提高了实验数据的可靠性。结果表明，经过高温热循环处理之后，不同位置处的热障涂层弹性模量和硬度都呈现出明显的各向异

3、性分布。随着热循环次数的增加，涂层表面和截面上的弹性模量和硬度都随之增大，当达到一定次数之后，两者的数值变化趋于平缓。涂层截面处的弹性模量和硬度都大于涂层表面处的数值。最后结合热循环处理前后热障涂层材料微观结构的变化观察，简单讨论了其弹性模量和硬度演变的原因。关键词：热障涂层；纳米压痕；弹性模量；硬度；Ｗｅｉｂｕｌｌ分析中图分类号：ＴＢ３３３文献标识码：Ａ文章编号：１００１－４３８１（２０１１）１０－００６６－０６Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｐａｒａｂｏｌｉｃｅｖｏｌｕｔｉｏｎｓｏｆｅｌａｓｔｉｃｍｏｄｕｌｕｓａｎｄｈａｒｄｎｅｓｓｏｆａｉｒｐｌａｓｍ

4、ａｓｐｒａｙｅｄｔｈｅｒｍａｌｂａｒ－ｒｉｅｒｃｏａｔｉｎｇｓｕｎｄｅｒｔｈｅｒｍａｌｃｙｃｌｅｓｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄｂｙｎａｎｏｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ．ＴｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｄａｔａｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄｂｙＷｅｉｂｕｌｌｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌｍｅｔｈｏｄｔｏｍｉｎｉｍｉｚｅｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｃａｔｔｅｒ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａ－ｔｅｄｔｈａｔｅｌａｓｔｉｃｍｏｄｕｌｕｓａｎｄｈａｒｄｎｅｓｓｉｎｔｈｅｉｎｔｅｒｆａｃｅｒｅｇｉｏｎｏｆｔｈｅｃｏａｔｉｎｇｄｉｓｐｌａｙａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃｄｉｓｔｒ

5、ｉｂｕ－ｔｉｏｎ．Ｔｈｅｙｉｎｃｒｅａｓｅｗｉｔｈｔｈｅｒｍａｌｃｙｃｌｉｎｇａｎｄｔｈｅｎｇｒａｄｕａｌｌｙｋｅｅｐａｃｏｎｓｔａｎｔａｆｔｅｒｓｏｍｅｔｈｅｒｍａｌｃｙ－ｃｌｅｓ．Ｔｈｅｖａｌｕｅｓｏｆｅｌａｓｔｉｃｍｏｄｕｌｕｓａｎｄｈａｒｄｎｅｓｓｉｎｔｈｅｃｒｏｓｓ－ｓｅｃｔｉｏｎａｌｃｏａｔｉｎｇａｒｅｌａｒｇｅｒｔｈａｎｔｈａｔｉｎｔｈｅｃｏａｔｉｎｇｓｕｒｆａｃｅｒｅｇｉｏｎ．Ｔｈｅｒｅａｓｏｎｗａｓｄｉｓｃｕｓｓｅｄｗｉｔｈｔｈｅａｉｄｏｆｔｈｅｓｃａｎｎｉｎｇｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｍｉｃｒｏ－ｓｃｏｐｅｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｓ．Ｋ

6、ｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｈｅｒｍａｌｂａｒｒｉｅｒｃｏａｔｉｎｇ；ｎａｎｏｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎ；ｅｌａｓｔｉｃｍｏｄｕｌｕｓ；ｈａｒｄｎｅｓｓ；Ｗｅｉｂｕｌｌｓｔａｔｉｓｔｉｃｓ为了提高航空发动机的涡轮进口温度和热效率，中工作成为可能，进而提高了航空发动机燃气温度和［２，３］使得航空发动机获得更高的推重比，１９５３年美国国家热效率。美国Ｎ．Ｐ．Ｐａｄｔｕｒｅ等指出：热障涂层系航空航天局研究中心提出了热障涂层（ＴｈｅｒｍａｌＢａｒｒｉ－统是所有涂层系统中最复杂的一种结构，也是最急需［１］ｅｒＣｏａｔｉｎｇｓ，ＴＢＣｓ）材料的概念，其基本原理大致是应用在航

7、空发动机和工业涡轮机内高温部件的一种隔［４］基于陶瓷材料具有熔点高、热传导率低、蒸汽压低、辐热涂层。它是一个典型的多层复合系统，主要包括射率低和反射率高等特点，将陶瓷粉末喷涂或者沉积四层材料：耐高温镍基合金基底（Ｎｉ－ｓｕｐｅｒａｌｌｏｙＳｕｂ－在高温合金热端部件（尤其是涡轮叶片）表面，以降低ｓｔｒａｔｅ）、过渡层（ＮｉＣｒＡｌＹ）、热生长氧化层（Ｔｈｅｒｍａｌｌｙ高温部件的工作温度，使其免受高温腐蚀和高温氧化，ＧｒｏｗｎＯｘｉｄｅ，ＴＧＯ）和陶瓷涂层（８％（质量分数）［４］明显延长高温部件的使用寿命，使现代航空燃气涡轮Ｙ２Ｏ３－ＺｒＯ２，８ＹＳＺ

8、），如图１所示。发动机内高温合金部件在高于其熔点温度的服役环境但是在高温高压服役环境中，热障陶瓷涂层与金等离子喷涂热障涂层