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涂層結構的設計

  在實際使用中因零件形狀、大小、材質、使用環境及服役條件等存在千差萬別要獲得最佳的涂層使用性能必須將熱噴涂技術所涉及到的各個環節綜合在一起進行優化處理特別是要注意將噴涂材料與各種熱噴涂工藝的特點結合起來內容涉及所選擇的噴涂材料、涂層厚度、相應的噴涂設備和工藝參數等涂層結構設計是否合理一般要通過生產檢驗或現場試驗才能確定。在熱噴涂應用技術中所涉及的涂層結構大體可分為以下四種。 
  1．單層結構 
  單層結構涂層是指只需要在經過預處理的零件表面噴涂單一成分涂層即可滿足使用性能要求的涂層結構模式。在實際應用中所占比例較大是最常用的熱噴涂涂層結構之一可為基體提供防腐、耐磨、抗高溫氧化、導電、尺寸修復、延長使用壽命等功能。所有的熱噴涂工藝包括普通火焰噴涂、噴焊、電弧噴涂、HVOF、爆炸噴涂、等離子噴涂等均可獲得具有特定性能的單層結構涂層。 
  2．雙層結構
  雙層結構涂層是指采用兩種噴涂材料在經過預處理的零件表面分兩次噴涂形成的涂層結構每層具有不同的功能通常與基體相鄰的涂層稱為粘結底層其主要作用是提高基體與涂層之間的結合強度；外層或表面層稱為工作層或面層其主要作用是滿足零件所要求的性能。這種結構涂層在實際應用中所占的比例也較大也是最常用的熱噴涂涂層結構之一。兩種涂層可采用同一種熱噴涂工藝方法來完成如采用單一工藝方法如普通火焰、爆炸噴涂或等離子噴涂來分別噴涂兩種涂層也可采用不同的熱噴涂方法來完成如可采用電弧噴涂粘結底層再采用等離子噴涂表面工作層；或先采用超音速火焰噴涂粘結底層再采用等離子噴涂表面工作層該組合是目前飛機發動機用熱障涂層的典型工藝。 
  3．多層結構
  多層結構是指涂層層數達三層或三層以上的涂層結構在實際應用中并不常用只在特殊工況條件下才采用。 
有的多層結構通過采用多種成分涂層來滿足一種性能要求例如為了開發出能夠滿足柴油發動機用的長壽命厚熱障涂層Robert等采用了熱膨脹系數非常接近的三層結合底層來降低涂層熱應力其涂層結構如圖所示各層涂層的熱膨脹行為如右圖所示。由于基體材料4140、NiCrAlY、FeCrAlY、FeCoNiCrAl和ZrO2-Y2O3之間膨脹系數屬于逐漸變化的從而可以大幅度減小ZrO2-Y2O3涂層與基體之間的熱膨脹不匹配性從而達到減小熱應力、延長使用壽命的目的。

  有的多層結構則具有多種功能例如為了顯著提高汽輪機用熱障涂層的使用壽命和工作可靠性Leed等人提出在金屬粘結層和熱障涂層之間增加阻止氧擴散涂層并在金屬粘結層和阻止氧擴散涂層、熱障涂層和阻止氧擴散涂層之間增加梯度過渡層以阻礙氧擴散到金屬粘結層形成脆性的金屬-陶瓷界面 
  4．梯度結構 
  在熱障涂層中由于粘結層金屬和氧化鋯陶瓷的熱膨脹系數差異較大這種差異將導致涂層內應力過大并且在熱循環條件下常發生陶瓷涂層的早期破壞。為了減小內應力提高涂層與基體的結合強度材料科學家開始在常規熱障涂層中引入功能梯度材料制備技術。 
  日本學者新野正之、平井敏雄和渡邊龍三首先提出了FGM的概念與此同時中國學者袁潤章等也提出了FGM的概念并率先在國內開展了這方面的研究。FGM的設計思想是針對兩種或兩種以上性質不同的材料通過連續改變其組成、組織、結構與孔隙等要素, 使其內部界面消失得到性能呈連續平穩變化的新型非均質復合材料。借助功能梯度材料的概念使熱障涂層結構梯度化相應地熱膨脹系數將沿涂層厚度方向逐漸變化從而緩和涂層制備過程中和熱循環使用過程中產生的熱應力。 
  梯度功能材料為金屬/陶瓷涂層材料無法解決的熱應力緩和問題提供了一種有效的方法這為熱障涂層的應用帶來了令人興奮的前景因此倍受世界各國材料界的重視。德國與美國繼日本之后也開始大規模的研制，我國也將此研究列入了“863”計劃短短十幾年中，迅速發展取得了令人矚目的成就。航天、航空、飛機、衛星、運載火箭等需要耐超高溫的熱屏障材料，核反應堆、發動機用耐熱材料、熱遮蔽材料使用FGM熱障涂層后可大幅度提高熱效率。

  國內已經對功能梯度熱障涂層的抗熱震性能進行了研究王富恥等人對等離子噴涂方法制備的ZrO2-NiCrAl系梯度熱障涂層在瞬態熱負荷下的破壞機理進行了研究指出：陶瓷面層除了冷卻過程中的徑向拉力超過陶瓷材料的強度導致涂層破壞的模式以外在加熱的過程中陶瓷層間界面出現大的軸向拉伸應力最終可以導致涂層剝落。朱景川等人對ZrO2-Ni系梯度熱障涂層的熱沖擊與熱疲勞行為進行了研究結果表明：ZrO2-Ni系梯度熱障涂層的抗熱沖擊參數呈梯度分布熱沖擊破壞符合熱疲勞損傷機理裂紋的準靜態擴展為其控制因素；熱疲勞裂紋在梯度層內以微孔聚集、連接方式萌生和擴展而在梯度層間無橫向貫穿裂紋克服了傳統涂層的熱應力剝落問題。黃維剛對ZrO2-NiCoCrAlY系梯度熱障涂層進行了研究認為去應力退火可以進一步提高涂層的抗熱沖擊性能。

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