【摘要】：納米結(jié)構(gòu)熱障涂層優(yōu)良的隔熱以及抗熱沖擊性能使其成為行業(yè)應(yīng)用和研究的焦點(diǎn)。等離子噴涂納米陶瓷團(tuán)聚粉體形成的涂層具有“bimodalstructure”,具有該陶瓷涂層結(jié)構(gòu)的熱障涂層被認(rèn)為是極具應(yīng)用潛力的新型熱障涂層。涂層的優(yōu)良性能與“bimodal structure”中納米區(qū)域的含量和結(jié)構(gòu)密切相關(guān),但“bimodal structure”的構(gòu)成對(duì)噴涂參數(shù)非常敏感,結(jié)構(gòu)調(diào)控和性能優(yōu)化難度較高。本文利用粉體屬性對(duì)涂層結(jié)構(gòu)的影響來(lái)研究納米涂層結(jié)構(gòu)的調(diào)控問(wèn)題,并針對(duì)造粒后不同燒結(jié)工藝產(chǎn)生的團(tuán)聚粉體屬性差異對(duì)涂層結(jié)構(gòu)控制帶來(lái)的不利影響,采用未燒結(jié)納米YSZ團(tuán)聚粉體,通過(guò)噴涂試驗(yàn)研究其在增加納米區(qū)域含量和促進(jìn)涂層性能提升上的優(yōu)勢(shì)。并在此基礎(chǔ)上研究降低穩(wěn)定劑Y_2O_3含量對(duì)納米結(jié)構(gòu)熱障涂層性能的作用以及降低環(huán)境壓力對(duì)涂層結(jié)構(gòu)的影響,這對(duì)納米結(jié)構(gòu)熱障涂層的性能優(yōu)化有重要意義。在常壓下采用試驗(yàn)研究的方法,研究通過(guò)噴涂參數(shù)調(diào)節(jié)和使用未燒結(jié)粉體來(lái)實(shí)現(xiàn)涂層中納米區(qū)域含量的提升,分析涂層的結(jié)構(gòu)與性能特征。結(jié)果表明,單一采用降低射流溫度的方式提高納米區(qū)域含量將以犧牲涂層質(zhì)量為代價(jià),導(dǎo)致YSZ涂層與粘結(jié)層界面在承受熱沖擊時(shí)發(fā)生分離,降低熱障涂層的可靠性。而使用未燒結(jié)粉體可在不影響涂層質(zhì)量的基礎(chǔ)上提高涂層中納米區(qū)域的含量,并可較相同條件下燒結(jié)粉體沉積涂層獲得約10%的孔隙率提升,進(jìn)而使涂層表現(xiàn)出良好的隔熱性能與較低的熱導(dǎo)率。另外,針對(duì)未燒結(jié)粉體的沉積問(wèn)題,通過(guò)改進(jìn)噴槍以及調(diào)節(jié)造粒時(shí)粘結(jié)劑的添加比例,將粉體沉積效率提高到了(20.2-40.6)%。同時(shí)發(fā)現(xiàn)未燒結(jié)粉體的高孔隙率特征使其對(duì)射流溫度變化的敏感度降低,在連續(xù)改變電流時(shí)可形成具有相近納米區(qū)域含量但性能不同的涂層,便于對(duì)涂層結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和控制,這是使用燒結(jié)粉體不能實(shí)現(xiàn)的。在納米涂層結(jié)構(gòu)研究的基礎(chǔ)上,選取3 mol%與5 mol%Y_2O_3-ZrO_2未燒結(jié)納米團(tuán)聚粉體制備涂層,對(duì)比分析兩種涂層的抗高溫?zé)Y(jié)與抗熱震性能。試驗(yàn)結(jié)果表明,3 mol%與5 mol%Y_2O_3-ZrO_2納米涂層在1400 ℃下燒結(jié)至100 h時(shí),均能夠保持較高的孔隙率和抗裂紋擴(kuò)展能力,其中3 mol%Y_2O_3-ZrO_2涂層燒結(jié)硬化速率低于5 mol%Y2O_3-ZrO_2涂層,且具有較長(zhǎng)的熱循環(huán)壽命。因此,當(dāng)形成納米涂層時(shí),YSZ構(gòu)成由5 mol%Y2O_3-ZrO_2調(diào)整為3 mol%Y2O_3-ZrO_2更有利于熱障涂層性能提升。利用實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的低壓等離子噴涂系統(tǒng),在5000Pa下對(duì)未燒結(jié)粉體進(jìn)行噴涂試驗(yàn)。研究結(jié)果表明,低壓下等離子射流性質(zhì)的改變使未燒結(jié)粉體在350A電流下沉積后形成了一種新型納米涂層結(jié)構(gòu)。顯微硬度Weibull曲線分析結(jié)果證實(shí)該涂層結(jié)構(gòu)仍具有“bimodal structure”特征,但在形貌上卻呈現(xiàn)近乎全部細(xì)等軸晶結(jié)構(gòu)。另外,未燒結(jié)粉體的松裝密度會(huì)影響涂層結(jié)構(gòu),相同條件下低松裝密度(0.95 g/cm~3)的粉體形成的涂層等軸晶的尺寸更細(xì)小。
【圖文】：

進(jìn)的納米技術(shù)相結(jié)合［４１］，利用大氣等離子噴涂技術(shù)噴涂納米結(jié)構(gòu)團(tuán)聚體顆粒，控逡逑制顆粒在射流中的溫度使其略高于材料熔點(diǎn)，，使粉體顆粒在與基體碰撞沉積前僅逡逑發(fā)生部分熔化，形成由完全熔化的液相包裹內(nèi)部固相納米顆粒的結(jié)構(gòu)，如圖１．５ａ。逡逑在基體表面作用沉積時(shí)，完全熔化的液相充當(dāng)粘結(jié)劑將未熔化納米顆粒固定在涂逡逑層中，使涂層同時(shí)包含致密的凝固結(jié)晶區(qū)域（完全熔化區(qū)域）以及與團(tuán)聚體顆粒相逡逑－６－逡逑

逡逑近的納米顆粒堆垛區(qū)域（納米區(qū)域），如圖１．５ｂ。熱噴涂領(lǐng)域?qū)⑦@種涂層結(jié)構(gòu)稱為逡逑“ｂｉｍｏｄａｌ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ”納米涂層，也將其直接簡(jiǎn)稱為納米涂層【４２］。逡逑S枚�，辶x希粒紓紓歟錚恚澹潁幔簦澹溴危校幔潁簦椋幔眨赍澹恚澹歟簦澹溴澹櫻錚歟椋溴澹螅簦幔簦澹罰掊澹危紊懟獋逡逑ｐｏｗｄｅｒ邐ｐｏｗｄｅｒ邐ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ邐＊逡逑（ａ）邋Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ邋ｏｆ邋ｃｏａｔｉｎｇ邋ｆｏｒｍａｔｉｏｎ邐（ｂ）邋Ｔｙｐｉｃｉａｌ邋ｂｉｍｏｄａｌ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ逡逑圖１．５等離子噴涂納米涂層形成機(jī)制與涂層結(jié)構(gòu)特征逡逑Ｆｉｇ．邋１．５邋Ｔｈｅ邋ｍｅｃｈａｎｉｓｍ邋ｏｆ邋ｐｌａｓｍａ邋ｓｐｒａｙｅｄ邋ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ邋ｃｏａｔｉｎｇ邋ａｎｄ邋ｔｈｅ邋ｆｅａｔｕｒｅ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ逡逑引入納米區(qū)域之后陶瓷涂層的性能得到顯著地提升。Ｗｕ等［４３］的試驗(yàn)結(jié)果表明逡逑“ｂｉｍｏｄａｌ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ”納米涂層較傳統(tǒng)涂層熱導(dǎo)率降低４０％，熱循環(huán)壽命提高２．５倍。逡逑Ｌｉｍａ等Ｍ制備的具有疏松納米結(jié)構(gòu)的涂層，較傳統(tǒng)涂層熱擴(kuò)散系數(shù)降低了約６０％，逡逑同時(shí)在高溫加熱時(shí)表現(xiàn)出明顯的耐燒結(jié)性［４５］。丁傳賢［４６］與Ｇｉｒｏｌａｍｏ＾等的試驗(yàn)結(jié)逡逑果表明含有“ｂｉｍｏｄａｌ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ”的納米ＹＳＺ涂層抗熱震性能要較傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)涂層更加逡逑優(yōu)良。盡管如此，等離子噴涂納米結(jié)構(gòu)陶瓷粉體形成的涂層并非真正的納米涂層，逡逑而是一種由兩種晶粒尺度結(jié)構(gòu)（淬冷凝固形成的微米級(jí)柱狀晶和未熔納米顆粒）組逡逑成的復(fù)合結(jié)構(gòu)，其中，涂層的優(yōu)良性能取決于納米區(qū)域在兩種結(jié)構(gòu)中所占的比例。逡逑根據(jù)影響等離子噴涂涂層性能的因素
【學(xué)位授予單位】：大連海事大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TQ174.758.16

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2636195