本文采用真空電弧鍍技術(shù)(AIP)在DZ408 高溫合金基體上沉積HY3(NiCrAlYSi)金屬粘結(jié)層，采用電子束物理氣相沉積技術(shù)(EB-PVD)在HY3 粘結(jié)層上沉積YSZ 陶瓷面層，研究了熱障涂層的抗沖蝕性能。對于沉積熱障涂層的試樣進(jìn)行了抗沖蝕試驗(yàn)，來評價其抗沖蝕性能，通過掃描電鏡(SEM)分析沖蝕前后的試樣顯微形貌，用X- 射線衍射儀分析涂層的相結(jié)構(gòu)，通過質(zhì)量沖蝕率對涂層抗沖蝕性能進(jìn)行表征。試驗(yàn)結(jié)果表明在相同沖蝕條件下，TBC 涂層沖蝕率隨沖蝕時間的增加而增加;涂層經(jīng)光飾處理后降低了TBC 的表面粗糙度，提高了TBC 的抗沖蝕能力。

　　目前，熱障涂層(TBCs)具有良好的隔熱、抗高溫氧化腐蝕性能，國內(nèi)外航空、航天、艦船、兵器等軍工產(chǎn)品普遍而大量地使用熱障涂層，以達(dá)到減少冷氣量、提高熱效率和延長發(fā)動機(jī)壽命的目的。航空發(fā)動機(jī)的燃燒室工作環(huán)境十分苛刻，不僅工作溫度高，而且存在大量高溫凝相顆粒，在高速燃?xì)饬鲾y帶下沖刷葉片，會導(dǎo)致熱障涂層局部磨損厚度減少，還可能導(dǎo)致柱狀晶結(jié)構(gòu)發(fā)生塑性變形和開裂。因此，研究熱障涂層的抗沖蝕行為、改善熱障涂層的抗沖蝕性能已成為開發(fā)高性能、高可靠性、長壽命航空發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

　　電子束物理氣相沉積是熱障涂層的主要制備技術(shù)之一。EB-PVD 技術(shù)制備的陶瓷面層具有獨(dú)特的柱狀晶羽毛狀顯微結(jié)構(gòu)，使得涂層具有更高的應(yīng)變?nèi)菹蓿瑹嵫�環(huán)壽命比PS 熱障涂層提高近8 倍。然而，迄今為止，通過AIP 和EB-PVD技術(shù)制備的熱障涂層，在其抗沖蝕性能評價方面仍然沒有詳細(xì)的報道。為此，本研究利用AIP 法制備HY3 涂層，利用EB-PVD 制備YSZ 陶瓷面層，對其組分、相結(jié)構(gòu)和抗沖蝕性能進(jìn)行系統(tǒng)研究，并對評價設(shè)備作介紹。

1、實(shí)驗(yàn)材料與方法

　　1.1、實(shí)驗(yàn)材料

　　基體材料為定向凝固鑄造鎳基高溫合金DZ408(30 mm×10 mm×1.5 mm，粗糙度0.63～1.25)，粘結(jié)層為NiCrAlYSi。制備粘結(jié)層前，按照GBⅡ373—89《熱噴涂金屬件表面預(yù)處理通則》對基體試片進(jìn)行表面處理及活化。采用M∧Π-1M 真空電弧鍍制備NiCrAlYSi 金屬粘結(jié)層，粘結(jié)層厚度為20～30 μm，沉積后進(jìn)行870 ℃/3 h 高溫真空擴(kuò)散處理，以增強(qiáng)涂層與基體間接和并且消除涂層的內(nèi)應(yīng)力。在粘結(jié)層上用EB-PVD 法制備陶瓷面層，陶瓷層材料為YSZ，厚度為60～80μm。采用直徑為2.8～3.0 mm 的ZrO2 圓球?qū)�TBC 進(jìn)行光飾處理，降低涂層表面粗糙度。

　　1.2、試驗(yàn)方法

　　采用吹砂試驗(yàn)設(shè)備，按GJB150.12-86《軍用設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)砂塵試驗(yàn)》中吹砂試驗(yàn)條件和試驗(yàn)方法要求進(jìn)行2 h 沖蝕試驗(yàn)。試樣與砂粒接觸角為65°~70°。石英砂砂粒直徑為0.154 mm，砂粒總量為100 g，電機(jī)轉(zhuǎn)速為1400 r/min，加熱溫度為80～100 ℃。試驗(yàn)總時間為2 h，分為8 個周期，每隔15 min 取出試樣，吹干凈砂粒后進(jìn)行外觀觀察和稱量質(zhì)量，稱之為一周期。試驗(yàn)結(jié)束后，去掉其表面積砂，進(jìn)行外觀觀察和質(zhì)量稱量。

　　1.3、測試及表征

　　采用FEI-Quanter 600 掃描電鏡(SEM)，分別對涂層橫截面和表面的組織形貌進(jìn)行分析。用D8Advance X 射線衍射(XRD)分析涂層的相結(jié)構(gòu)。

2、結(jié)果與分析

　　2.1、TBC 涂層的相結(jié)構(gòu)和SEM 表面形貌

　　陶瓷層的相結(jié)構(gòu)XRD 譜圖如圖1 所示。由圖1可知，8YSZ 沉積態(tài)涂層的相結(jié)構(gòu)是由單一的四方相(t)所組成的，其化學(xué)組成為t′-Zr0.92Y0.08O1.96。此單一相結(jié)構(gòu)的存在，有效地說明了涂層中并沒有單斜相的存在，也就是說在涂層的制備過程中，并沒有相變的發(fā)生，避免了涂層中因相變所導(dǎo)致的裂紋產(chǎn)生。

圖1 8-YSZ 沉積態(tài)涂層的XRD 譜圖

　　圖2 為DZ408 合金沉積熱障涂層TBC 的沉積態(tài)截面顯微組織。如圖2 所示，熱障涂層結(jié)構(gòu)為常規(guī)雙層結(jié)構(gòu)，即金屬底層加陶瓷面層。EB-PVD 制備的陶瓷面層(60～80 μm)沿垂直于涂層/ 基體界面方向形成許多彼此分離的柱狀晶，每個柱狀晶體與底層牢固結(jié)合。采用真空電弧鍍技術(shù)沉積的金屬底層(20～30 μm)與基體合金結(jié)合良好，無孔洞等明顯缺陷。

圖2 DZ408+TBC 沉積態(tài)的SEM 截面圖

3、結(jié)論

　　(1)DZ408 合金沉積熱障涂層遭受沖蝕時，其沖蝕失重高于合金和HY3 涂層，熱障涂層更需要提高其抗沖蝕性能。

　　(2) 經(jīng)過光飾處理的熱障涂層粗糙度Ra 從2.51μm 降至2.16 μm，其抗沖蝕性能增強(qiáng)。

　　(3)經(jīng)過1.5 h 的沖蝕試驗(yàn)后，原始態(tài)的TBC有部分剝落，呈現(xiàn)紡錐型，陶瓷面層剝落的根部接近TGO。