等离子喷涂-物理气相沉积YSZ热障涂层的制备及微观结构研究徐静，毛杰，梁兴华，邓子谦，邓春明，邓畅光，刘敏摘要：热障涂层与冷却技术结合可以极大地提高航空涡轮发动机叶片的服役温度，而羽毛柱状结构的等离子喷涂-物理气相沉积（PS-PVD）熱障涂层因其热导率低、应变容限良好、热循环寿命长等优势备受关注.通过进行物相分析，使用扫描电子显微镜（SEM）观察热障涂层表面及截面的形貌结构;在SEM二维图像的基础上，使用图像法计算孔隙率.结果表明：通过PS-PVD设备制备出的热障涂层结晶度良好，空间点矩阵属于P/nmc（137），为四方结构，涂层平均平面孔隙率较大，为20.03%，具有良好的隔热性能.关键词：等离子喷涂-物理气相沉积（PS-PVD）;热障涂层;制备;微观结构：TQ153;TG174.4DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2021.04.0030引言航空涡轮发动机服役环境苛刻.热障涂层（thermalbarriercoatings，TBC）作为涡轮发动机叶片及在其他燃机中不可缺少的材料，保障了燃机热端部件在高温氧化、冷热循环、熔盐腐蚀等极端环境中的正常工作.热障涂层与气膜冷却技术的结合，在提高发动的推重比、服役寿命、工作稳定性等方面发挥至关重要的作用[1].典型的热障涂层系统主要包括隔热陶瓷层（通常是YSZ：ZrO2-Y2O3）和作为黏结层的抗高温氧化金属层（通常是MCrAlY）以及高温合金基体.在高温环境中，涂层底部和金属层之间生成热生长氧化物（TGO）层[2].热障涂层的化学组成成分和微观结构形貌特征决定了热障涂层的工作性能及长期稳定性.目前热障涂层的主要制备技术是大气等离子喷涂（APS）和电子束-物理气相沉积（EB-PVD）技术，这2种技术制备出的热障涂层结构差异较大，这也使得涂层的热导率、应变容限、热循环寿命等性能相差较大[3].APS制备热障涂层时，涂层材料以熔融或半熔融扁平粒子的状态进行沉积生长，微观下涂层呈层状结构，隔热性能好（热导率近年来，等离子喷涂-物理气相沉积（PS-PVD）已成为新兴发展的热障涂层制备技术，使用该技术制备热障涂层并应用于航空涡轮发动机涡轮叶片表面已进入工程化阶段[5].PS-PVD结合了APS及EB-PVD优势，具有沉积效率高、可实现非视线沉积[6]等优点，能够制备出应变容限良好、热循环寿命长的热障涂层.同时，通过参数调控还可以实现单相或多相沉积，制备出不同结构的热障功能涂层[7-8].通过PS-PVD设备制备出的热障涂层拥有独特的羽毛柱状结构，由于存在孔隙，可使涂层的热导效率降低，有利于提高航空涡轮发动机涡轮叶片服役温度[8-10].现阶段，高质量的PS-PVD新型功能涂层作为涡轮发动机及其他燃气轮机中的隔热手段，研究人员对涂层的表征多集中于组织结构、力学性能、抗热震性能、抗腐蚀性能等方面;且热障涂层隔热性能评价大多依托于具体的隔热性能实验进行衡量，没有具体的物理量指标对隔热性能进行说明.基于此，本文使用PS-PVD设备，以YSZ粉末为原料制备热障涂层，利用X射线衍射仪（X-raydiffration，XRD）、扫描电子显微镜（scanningelectronmicroscope，SEM）对YSZ热障涂层的物相、微观结构进行表征，通过SEM获得二维图像，使用ImageJ软件图像法对热障涂层的截面孔隙率进行简单计算.1实验1.1实验仪器与喷涂材料1.1.1实验仪器鼓风干燥箱，等离子喷涂-物理气相沉积设备（PS-PVD，SulzerMetco），X射线衍射仪，扫描电子显微镜（ZEISS）.1.1.2喷涂材料NiCrAlY（6μm～30μm，AMPERITTM997，Sulzer-Metco），YSZ（1μm～30μm，M6700，SulzerMetco），不锈钢基体.1.2热障涂层制备实验前先将不锈钢基体（φ25.4mm×6mm）置于煤油或者汽油中进行超声波清洗，然后用酒精擦拭基体以去除基体表面的油渍.对清洗后的基体进行喷砂处理，使用46#刚玉砂，喷砂气压控制在0.4MPa～0.6MPa.使用如图1所示PS-PVD设备，在金属基体的表面制备120μm～140μm厚的NiCrAlY金属黏结层，经打磨抛光处理后，黏结层剩余厚度约60μm～80μm;在其表面再次进行喷砂处理，使用280#刚玉砂，喷砂气压在0.2MPa～0.4MPa（2次喷砂是为了增加基体、黏结层、陶瓷层之间的结合强度，保护基体，防止氧化）.使用PS-PVD设备，以经过鼓风干燥箱干燥8h～16h后呈团聚状态的YSZ粉末为原料，在金属基体的预...