● 摘要
本文采用超音速火焰喷涂技术和大气等离子喷涂技术制备了纳米YSZ热障涂层。研究了大气等离子喷涂工艺参数对涂层的组织结构、力学性能及热震性能的影响。研究了CaO-MgO-Al2O3-SiO2 (CMAS)对涂层组织结构及力学性能的影响。纳米YSZ热障涂层分为未熔区域和熔融区域，未熔区域包含纳米结构。涂层由四方相ZrO2组成。随着功率的增加，晶粒逐渐变大，纳米区域比例逐渐降低，孔隙率从16.4%降低到10.8%。随着功率的增加，涂层的显微硬度和弹性模量逐渐增加，维氏硬度从1056.1增加到1089.1，Knoop硬度从898.9增加到942.0，弹性模量从96.7GPa增加到116GPa，涂层的结合强度从20.1MPa增加到36.9MPa。涂层的断裂位置从陶瓷层和粘结层之间的界面向陶瓷层内部过渡。随着功率的增加，涂层的热震寿命先增加后减少。涂层失效的位置均位于靠近TGO处的陶瓷层中。TGO包括平滑层和混合层，其中，包括以NiO、Cr2O3和Ni(Cr,Al)2O4 组成的灰色氧化物，以Al2O3为主的黑色氧化物。热障涂层主要是由于陶瓷层和粘结层的热膨胀不匹配产生较大的热应力导致涂层的失效。CMAS渗入区可以分为反应层和致密层，在反应层中，ZrO2以球状的形式存在；在致密层中，CMAS渗入到涂层的孔和微裂纹中，但涂层仍然保持着颗粒和条状结构。反应层中发生了四方相ZrO2向单斜相ZrO2的相转变。在1250℃下涂有CMAS的涂层经过4h热处理后，涂层可分为三层，反应层，致密层和未渗入层，其中反应层厚度约为120μm，致密层厚度约为260μm。经过24h和48h后，涂层均可分为两层，反应层和致密层，其中反应层厚度分别约为330μm和460μm。 CMAS的渗入使得涂层的硬度和弹性模量显著增加。从4h到40h，反应层和致密层的硬度增量分别约为14.3%和16.1%，弹性模量分别约为8.0%和9.1%。硬度和弹性模量大小均依次为：致密层>反应层>未涂CMAS的涂层。