陶瓷涂层由于具有高熔点、高硬度、电绝缘和化学惰性等特性 ,在几乎所有的高精尖科学领域中发挥着重要的作用<1> 。但是陶瓷和金属的热膨胀系数及弹性模量等性能不匹配 ,且基体与涂层间存在明显的界面 ,因此 ,表面具有陶瓷涂层的金属零部件在应用过程中常会发生涂层开裂或剥落损坏等现象<2 ,3 > 。为解决这一问题 ,人们在陶瓷层与基体之间加入一层金属结合层。金属结合层有两个作用 :一是抗氧化 ,二是可把陶瓷层与基体紧密结合起来。为提高抗氧化能力 ,目前结合层材料用ＭＣｒＡｌＹ合金 ,其中Ｍ代表Ｎｉ,Ｃｏ或ＮｉＣｏ<4 > 。为了解决基体与涂层间性能不匹配的问题 ,进一步提高涂层的各项性能 ,近几年梯度陶瓷结合层逐渐发展起来。本文作者利用溶胶 凝胶法在合金结合层之上沉积了梯度陶瓷结合层 ,然后再在它上面利用高能脉冲等离子沉积方法沉积ＺｒＯ2 Ｙ2 Ｏ3
陶瓷涂层 ,并研究了其抗高温腐蚀性能。1 试验方法及条件ＮｉＣｏＣｒＡｌＹ试样成分 (质量百分比 ) :Ａｌ 12 .73%,Ｃｒ 19.4 5 %,Ｎｉ 4 3.85 %,Ｃｏ 17.6 6 %。分别用 2 80 ,6 0 0 ,80 0号及 12 0 0号水砂纸连续打磨 ,除掉表面的锈和氧化层。打磨后的试样用去离子水冲洗干净 ,使用前用丙酮擦拭去掉表面的油污 ,用吹风机将其吹干。将试样放在坩埚中 ,在高温氧化炉 10 5 0℃的环境下 ,预氧化10ｈ。将试样放入配置好的溶胶凝胶溶液中 (配制方法见表 1和表 2 )浸渍 15ｍｉｎ取出。梯度涂层的设计原则为Ａｌ2 Ｏ3 含量逐渐减少 ,Ｙ2 Ｏ3 和ＺｒＯ2 的含量逐渐增加 ,Ｚｒ∶Ｙ =9∶1,即ＺｒＯ2 ∶Ｙ2 Ｏ3 =18∶1,所以其每一层各组分的百分含量见表 2。表 1 梯度涂层组分百分含量表层 Ａｌ2 Ｏ3 / %Ｙ2 Ｏ3 / %ＺｒＯ2 / %180 1.0 5 18.952 6 0 2 .1137.8934 0 3.16 5 6 .844 2 0 4.2 175 .795 0 5 .2 6 94.74 配置溶胶凝胶溶液需要 0 .0 0 3ｍｏｌ/ＬＺｒＯ2 溶液、0 .0 0 3ｍｏｌ/ＬＹ2 Ｏ3 、0 .0 0 3ｍｏｌ/ＬＡｌ2 Ｏ3 。梯度涂层的每一层用溶液的总量取 10 0ｍＬ。各层混合溶液的用量见表 2。表 2 混合溶液用量表层 Ａｌ2 Ｏ3 /ｍＬＹ2 Ｏ3 /ｍＬＺｒＯ2 /ｍＬ180 1.0 5 18.952 6 0 2 .1137.8934 0 3.16 5 6 .844 2 0 4.2 175 .795 0 5 .2 6 94.74 将用溶液浸渍过的试样放入高温炉中 ,在 6 0 0℃的环境下 ,烧结 1ｈ。重复进行浸渍、烧结步骤 ,完成梯度陶瓷结合层的制备。在沉积了梯度陶瓷结合层之后 ,利用高能脉冲等离子沉积方法在梯度陶瓷结合层之上在 0 .0 0 3ｍｏｌ/ＬＺｒＯ2 + 0 .0 0 3ｍｏｌ/ＬＹ2 Ｏ3纳米陶瓷粒子溶胶水溶液中再沉积ＺｒＯ2 Ｙ2 Ｏ3 陶瓷涂层 ,其中ＺｒＯ2 ∶Ｙ2 Ｏ3 =18∶1。高能脉冲等离子沉积方法见图 1。在样品表面施加纳米陶瓷粒子 水混合液的液膜 ,电极 1(为构成陶瓷涂层的金属 )的尖部与液面保持一定空气间隙。试样 4与圈状阴极 3联接 ,阴极与水膜相接触。沉积陶瓷涂层初期 ,阳极与水膜和样品放电 ;形成完整的陶瓷涂层后 ,放电方式变成阳极 1与水膜 2放电 ,使水膜中的物质反应沉积到金属样品表面形成陶瓷 ,可使陶瓷涂层增厚。图 1 高能脉冲等离子沉积方法示意图2 试验结果与分析图 2是未沉积陶瓷梯度结合层的涂层界面照片。由图可知 ,ＮｉＣｏＣｒＡｌＹ合金结合层与ＺｒＯ2 Ｙ2 Ｏ3 陶瓷涂层之间有明显的界面而且含有很大的裂纹。说明ＮｉＣｏＣｒＡｌＹ和陶瓷涂层之间的结合力仍不够好。图 2 无陶瓷梯度结合层的截面ＳＥＭ照片当在ＮｉＣｏＣｒＡｌＹ和陶瓷之间加上 4层梯度涂层过渡后 ,在同样的工艺条件下截面的照片见图 3。由图可见 ,陶瓷与ＮｉＣｏＣｒＡｌＹ层虽然仍有界面 ,但是裂纹和空洞等缺陷大大减少 ,所以在陶瓷涂层和ＮｉＣｏＣｒＡｌＹ合金结合层之间加入梯度陶瓷连接层 ,就可以得到结合力更好的ＺｒＯ2 Ｙ2 Ｏ3 涂层。图 3 加入陶瓷梯度结合层的截面ＳＥＭ照片图 4和图 5是试样高温氧化增重曲线和试样的高温氧化剥落量曲线。从图中可知 ,无陶瓷梯度结合层的试样的抗高温氧化性能是空白ＮｉＣｏＣｒＡｌＹ试样的 2 .7倍 ,有陶瓷梯度结合层试样的抗高温氧化性能是空白ＮｉＣｏＣｒＡｌＹ试样的 3倍 ;无陶瓷梯度结合层的试样的抗剥落性能是空白ＮｉＣｏＣｒＡｌＹ试样的 13 .7倍 ,有陶瓷梯度结合层的试样的抗剥落性能是空白ＮｉＣｏＣｒＡｌＹ试样的 55倍。图 4 试样在 10 0 0℃下的氧化增重曲线图 5 试样在 10 0 0℃下的氧化剥落量曲线由图 5看出 ,在加入陶瓷梯度结合层之后陶瓷涂层的剥落量大大减少 ,证明陶瓷涂层和基体之间的结合力大为提高。从以上总结出较理想的陶瓷涂层的物理模型见图 6。图 6 陶瓷涂层的物理模型3 结 论由以上的结果可知 ,加入陶瓷梯度结合层之后 ,ＺｒＯ2 Ｙ2 Ｏ3 陶瓷涂层与基体之间的结合力有较大的提高。在 10 0 0℃下试样的抗高温氧化性能是空白ＮｉＣｏＣｒＡｌＹ试样的 3倍 ,抗剥落性能是空白ＮｉＣｏＣｒＡｌＹ试样的 55倍。等离子沉积ZrO_2-Y_2O_3陶瓷涂层与基体结合力的研究@孟琳$北京航空航天大学工程训练中心!北京100083
@李凡$北京航空航天大学工程训练中心!北京100083
@于维平$北京航空航天大学工程训练中心!北京100083
陶瓷梯度结合层;;
ZrO2-Y2O3;;高能脉冲等离子研究了在利用高能脉冲等离子方法沉积的ZrO2 Y2 O3 陶瓷涂层和NiCoCrAlY合金层之间加入陶瓷梯度结合层的技术 ,进行了涂层的截面形貌分析。实验结果证明 ,在加入陶瓷梯度结合层之后 ,提高了NiCoCrAlY合金的抗高温氧化性能及与ZrO2 Y2 O3 ZrO2 陶瓷涂层的结合力。在实验的基础上提出了陶瓷涂层的物理模型。<1> 于维平,李 凡,孟 琳 .双等离子体微弧沉积ZrO2和ZrO2Y2O3陶瓷涂层
.科学通报,2001,26(20):1754～1758.
<2> 新野正之,平井敏雄,渡边龙三.倾斜机能材料———宇宙机用超耐热を目指して.复合材料学会志,1983,13(6):257～264.
<3> FukushimaT .FormationandpropertiesofTiC/Mogradedcoating s .Functionallyposiumonfunctionallygradedmaterials.Japan:Elsevier,1997:245～264.
<4> 韩杰才,董世用,张幸红等.金属/陶瓷梯度涂层工艺现状.材料工程,1999,12:39～42本┖娇蘸教齑笱Чこ萄盗分行?北京100083
@于维平$北京航空航天大学工程训练中心!北京100083陶瓷梯度结合层;;ZrO2-Y2O3;;高能脉冲等离子研究了在利用高能脉冲等离子方法沉积的ZrO2 Y2 O3 陶瓷涂层和NiCoCrAlY合金层之间加入陶瓷梯度结合层的技术 ,进行了涂层的截面形貌分析。实验结果证明 ,在加入陶瓷梯度结合层之后 ,提高了NiCoCrAlY合金的抗高温氧化性能及与ZrO2 Y2 O3 ZrO2 陶瓷涂层的结合力。在实验的基础上提出了陶瓷涂层的物理模型。<1> 于维平,李 凡,孟 琳 .双等离子体微弧沉积ZrO2和ZrO2Y2O3陶瓷涂层.科学通报,2001,26(20):1754～1758.
<2> 新野正之,平井敏雄,渡边龙三.倾斜机能材料———宇宙机用超耐热を目指して.复合材料学会志,1983,13(6):257～264.
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<4> 韩杰才,董世用,张幸红等.金属/陶瓷梯度涂层工艺现状.材料工程,1999,12:39～42