等离子喷涂工艺参数对BSAS基可磨耗环境障涂层组织性能影响.pdf
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1、第 15 卷 第 2 期 热 喷 涂 技 术 Vol.15,No.22023 年 6 月 Thermal Spray Technology Jun.,2023第一作者:周邦阳(1991-),男,博士,工程师,。通讯作者:周邦阳,。基金项目:航空发动机及燃气轮机基础科学中心基金项目(P2022-B-IV-003-001)。等离子喷涂工艺参数对 BSAS 基可磨耗环境障涂层组织性能影响周邦阳1,3*,崔永静1,3,王长亮1,3,聂梓杏1,3,岳震1,3,焦健2,3,宇波3(1 中国航发北京航空材料研究院 航空材料先进腐蚀与防护航空科技重点实验室 北京 100095;2 中国航发北京航空材料研究院
2、先进复合材料科技重点实验室 北京 100095;3 中国航发北京航空材料研究院 表面工程研究所 北京 100095)摘要:为满足陶瓷基复合材料表面可磨耗环境障一体化涂层的需求,采用大气等离子喷涂技术制备 BSAS+聚酯(BSAS+P)涂层,研究喷涂工艺参数对涂层组织性能的影响。结果表明:涂层为典型的层状结构,内部存在一定数量的孔洞和微裂纹;在一定范围内,提高喷涂电流、氢气流量和载气流量,有利于提高粉末颗粒熔化程度,使其在基体表面平铺变形效果好,所得涂层具有合适的孔隙率和表面硬度。等离子喷涂 BSAS+P 涂层最佳工艺参数为:喷涂电流 550A、氩气流量 40NLPM、氢气流量 10NLPM、载
3、气流量 2.5NLPM,得到涂层孔隙率为 13.7%,表面硬度为 64.7HR45Y。采用上述工艺参数制得的涂层,与基体结合强度较高,并且在 1000下与 Si3N4球间的平均摩擦系数为 1.2,具有较好的可磨耗性能。关键词:可磨耗环境障涂层;大气等离子喷涂;工艺参数;组织性能中图分类号:TG174.4 文献标识码:A 文章编号:1674-7127(2023)02-0006-12 DOI 10.3969/j.issn.1674-7127.2023.02-006Effect of Plasma Spraying Parameters on Microstructure and Property
4、of the BSAS Based Abradable Environmental Barrier CoatingsZhou Bangyang1,3*,Cui Yongjing1,3,Wang Changliang1,3,Nie Zixing1,3,Yue Zhen1,3,Jiao Jian2,3,Yu Bo3(1.Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Advanced Corrosion and Protection for Aviation Material,AECC Beijing Institute of Aerona
5、utical Materials,Beijing 100095,China;2.National Key Laboratory of Advanced Composites,AECC Beijing Institute of Aeronautical Materials,Beijing 100095,China;3.Surface Engineering Division,AECC Beijing Institute of Aeronautical Materials,Beijing 100095,China)Abstract:To meet the requirement of abrada
6、ble environmental barrier coatings on the surface of ceramic matrix composites,BSAS+Polyester(BSAS+P)coatings were prepared by air plasma spraying technology,and the influence of spraying parameters on microstructure and mechanical property of the coatings was investigated.The results show that the
7、coatings are typical laminate structure with a certain number of internal pores and microcracks.Within a certain range,increasing the spraying current,hydrogen flow rate and carrier gas flow rate is conducive to improving the melting degree of the powder particles,which results in a good deformation
8、 effect 第 2 期 43 on the surface of the substrate.Therefore,the obtained coatings possess proper porosity and Rockwell hardness.The optimal process parameters of plasma spraying BSAS+P coating are:550A spraying current,40 NLPM argon flow rate,10 NLPM hydrogen flow rate and 2.5 NLPM carrier gas flow r
9、ate.In this case,the porosity and surface hardness of the coating are 13.7%,and 64.7 HR45Y,respectively.The coating prepared using the above parameters adheres well to the substrate,and the average friction coefficient between the coating and Si3N4 balls is 1.209 at 1000 ,exhibits good wear performa
10、nce.Keyword:abradable/environmental barrier coating;air plasma spraying;process parameter;microstructure and property0 引言陶瓷基复合材料(Ceramic Matrix Composite,CMC)具有耐高温、低密度、高比强度/比模量等一系列性能优势,是先进航空发动机热端部件的理想材料1-2。美国 GE 公司采用 SiCf/SiC 复合材料成功制备出涡轮外环、隔热屏、燃烧室内衬和导向叶片等构件,其重量仅为同类高温合金构件的 1/3,冷却空气量降低 2050%,大幅度提高了发动机
11、的燃油效率3。然而,在复杂高温燃气环境中,CMC 构件服役性能因水蒸气-氧气耦合腐蚀而急剧衰退,在其表面制备耐高温、长寿命环境 障 涂 层(Environmental Barrier Coatings,EBC)是保障 CMC 构件服役稳定性与可靠性的重要途径5-6。对于 CMC 涡轮外环而言,其在服役过程中面临叶片叶尖等转子部件的刮擦磨损,容易造成机匣及叶片的损伤,这要求 CMC 涡轮外环表面环境障涂层还需要具备可磨耗封严功能,以实现最小气路间隙和最低叶片磨损,进而提高发动机整体效率并降低油耗6。目前,常见的 MCrAlY金属基可磨耗封严涂层在 1050以上出现烧结硬化和局部脱落现象,导致其对
12、叶片磨损严重;而YSZ 陶瓷基可磨耗封严涂层热膨胀系数与 CMC基体差异较大,涂层内部由于热应力积累而过早失效7。因此,亟需开展适用于 CMC 构件的新型可磨耗封严涂层材料体系研究。BSAS(BaO-SrO-Al2O3-SiO2)具有较低的 SiO2活度(0.1)、较高的使用温度(1300 )和与CMC 匹配的热膨胀系数(单斜相 BSAS 的 CTE约为 45.110-6K-1),是第二代 EBC 主要材料8-9。Solar turbines 公司在发动机燃烧室部件上考核了BSAS 环境障涂层体系的有效性,在 1200 发动机燃气腐蚀条件下,该涂层经历 13937h(包含 59次启停循环)未发
13、生失效10。通过向 BSAS 中添加一定数量的润滑相和造孔相,以及调控 BSAS涂层制备工艺参数,有望解决新一代航空发动机CMC 涡轮外环表面环境障/可磨耗一体化涂层的迫切需求。本文采用大气等离子喷涂技术制备 BSAS 基可磨耗环境障涂层,通过正交试验方法分析喷涂电流、氩气流量、氢气流量、载气流量对涂层显微组织结构、力学性能和摩擦磨损性能的影响,以期掌握主要喷涂工艺参数与涂层微结构和性能之间的关联规律,为后续研究 BSAS 基涂层高温可磨耗性能奠定基础。1 实验材料与方法1.1 基体材料喷涂所用基体材料为-SiC 陶瓷块材,尺寸为 10 mm10 mm4 mm,喷涂前将基体放入丙酮中超声波清洗
14、 20 min 并烘干,然后对基体进行喷砂处理。1.2 喷涂粉末涂层由 Si/BSAS+Mullite/BSAS+聚酯(BSAS+P)三层结构组成,其中Si层采用市售熔融破碎硅粉,粒度为 30 m 100 m。BSAS 粉末采用烧结破碎法获得,具体成分为 Ba0.75Sr0.25Al2Si2O8,粒径为20 m 80 m;将其与烧结破碎制得的 Mullite 粉末按20%:80%重量比机械混合随后进行固相烧结,得到 BSAS+Mullite 混合粉末。BSAS+P 粉末由两者机械混合而成,粉末粒径在 10 m 100 m 之间。等离子喷涂工艺参数对 BSAS 基可磨耗环境障涂层组织性能影响 4
15、4 热 喷 涂 技 术 15 卷1.3 涂层制备采 用 Multicoat 等 离 子 喷 涂 系 统,按 照 表1 中参数在 SiC 基体表面依次制备 Si 粘结层和BSAS+Mullite 中间层。在制备 BSAS+P 面层过程中,选取喷涂电流、氩气流量、氢气流量和载气流量这个 4 个主要因素进行正交工艺试验,每个因素取 3 水平,建立 4 因素 3 水平正交试验方法,具体喷涂参数及试验结果如表 2 所示。对沉积态涂层在大气环境下进行热处理,热处理温度为 1150,保温时间为 8h。表 1 等离子喷涂 Si 和 BSAS+Mullite 工艺参数Table 1 Deposition par
16、ameters of Si and BSAS+Mullite coatings by APS表 2 正交试验设计及结果Table 2 Design and Results of orthogonal experimentMaterialCurrent(A)Voltage(V)Ar(NLPM)H2(NLPM)Carrier Gas(NLPM)Spray Distance(mm)Si420494063120BSAS+Mullite550584563120实验号I(A)Ar(NLPM)H2(NLPM)Carrier Gas(NLPM)孔隙率(%)硬度(HR45Y)150035 6 2.51658.2
17、2500 40 83.5 14.165.43500 45 10 4.5 12.969.64550 358 4.58.580.15550 40 10 2.513.764.76550 45 6 3.5 15.959.87600 35 10 3.5 5.484.08600 40 6 4.5 12.573.19600 45 8 2.5 13.861.61.4 性能检测利用热喷涂粒子监测仪(DPV-Evolution,Tecnar 公司)对粒子在等离子射流中的温度、速度数据进行采集。采用 Quanta 200F 型场发射扫描电子显微镜观察涂层表面和截面形貌,利用Image J 软件测试涂层截面孔隙率,在
18、 100 倍图像下选择 5 个视场进行测量。采用 HSRD-45 型电动表面洛氏硬度计测量涂层表面硬度,对于同一样品,至少选取 10 个位置进行测试。按照 HB5476-1991 中的要求制备涂层试样,采用 Instron 电子万能材料试验机测试涂层结合强度。采用 UMT-TriboLab 多功能摩擦磨损试验机测试 BSAS+P 涂层的摩擦磨损性能。测试条件如下:测试温度为1000,对偶球为直径6 mm的Si3N4球,载荷2.5N,冲程 5 mm,频率 5Hz,时间 30 min。采用公示(1)计算涂层磨损率,一般情况下,试验条件相同时,摩擦系数和磨损率数值越小,涂层可磨耗性能越好。K=V/2
19、Fdft(1)其中,K 为磨损率,V 为试样摩擦磨损总体积(通过探针接触式轮廓仪计算),F 为载荷,d为冲程,f 为频率,t 为时间。第 2 期 45 表 3 孔隙率极差分析结果Table 3 Range Analysis Results of PorosityIArH2Carrier Gas孔隙率(%)K143.029.944.443.5K238.140.336.435.4K331.742.632.033.9k114.310.014.814.5k212.713.412.111.8k310.614.210.711.3极差 R13.8 4.2 4.1 3.2 主次因素BCAD2 结果与分析2.1
20、 喷涂工艺参数对涂层孔隙率的影响表 3 是不同工艺参数制备的 BSAS+P 涂层的极差分析结果。电流、氩气流量、氢气流量和载气流量对应 BSAS+P 涂层孔隙率的极差 R1 分别为 3.8、4.2、4.1 和 3.2。因素的极差值与该因素在试验中的作用效果成正比:极差大的因素为主要因素,极差小的因素为次要因素。因此,影响BSAS+P 涂层孔隙率的因素从大到小依次为:氩气流量氢气流量电流载气流量。图 1 是 BSAS+P 涂层四个因素与孔隙率的效应曲线图。由图可知:(1)随着喷涂电流的增加,涂层孔隙率呈现逐渐降低的趋势。电流强弱与喷枪中等离子射流温度密切相关。当电流较小时,等离子射流温度较低。由
21、于 BSAS 粉末的熔点较高(1650 )以及陶瓷材料热导率较低11,喷涂过程中难以充分熔融,多数粉末处于半熔化状态,即粉末表层为液态,而内部仍是固态。这部分粉末在基体表面平铺形成薄层的过程中发生不充分且不规则变形,周围粉末变形后与其搭接不充分,导致涂层中存在较多孔隙12。当电流较大时,等离子射流处于较高温度,有利于提高粉末颗粒熔化效果,因而涂层孔隙率较低。(2)随着氩气流量的增加,涂层孔隙率呈现逐渐增大的趋势。氩气作为产生等离子体的主要气体,其流量大小直接影响等离子射流的热晗和流速。在一定范围内增加氩气流量,能够提高等离子射流的刚性13,即提高粉末颗粒在射流中的温度和速度,进而提高粉末颗粒的
22、熔化程度,获得致密度较高的涂层。但当氩气过量时,粉末颗粒速度过快,其在等离子射流中停留时间短,导致熔化效果变差。大量半熔化颗粒撞击在基体表面,使涂层内部存在较多孔隙和裂纹,因此孔隙率增加。(3)随着氢气流量的增加,涂层孔隙率呈现逐渐降低的趋势。氢气具有焓值高、密度低和导热系数高等特点,是等离子喷涂中最常用的次级气体。氢气流量越高,对粉末颗粒输入能量越大,粉末熔化更加充分,在基体表面平铺变形效果越好,故涂层内部孔隙较少。(4)随着载气流量的增加,涂层孔隙率同样呈现逐渐降低的趋势。在一定范围内提高载气流量能够使进入等离子射流中的粉末颗粒数量增多,进而提高涂层沉积效率和致密性,故涂层孔隙率降低。等离
23、子喷涂工艺参数对 BSAS 基可磨耗环境障涂层组织性能影响 46 热 喷 涂 技 术 15 卷图 1 喷涂工艺参数对孔隙率影响趋势:(a)电流;(b)氩气流量;(c)氢气流量;(d)载气流量Fig.1 The influence trend of spraying process parameters on porosity:(a)current;(b)argon flow;(c)hydrogen flow;(d)carrier gas flow2.2 喷涂工艺参数对涂层硬度的影响表 4 是不同工艺参数制备的 BSAS+P 涂层硬度的极差分析结果。电流、氩气流量、氢气流量和载气流量对应 BSA
24、S+P 涂层硬度的极差 R1 分别为 8.5、10.4、9.1 和 12.8。由表 4 可知,影响BSAS+P 涂层硬度的因素从大到小依次为:载气流量氩气流量氢气流量电流。值得注意的是,在保证结合强度的前提下,可磨耗涂层的表面硬度应尽可能的低,以确保涂层与转子叶片之间具有良好的对磨匹配性。(a)(c)(b)(d)表 4 硬度极差分析结果Table 4 Range Analysis Results of Rockwell HardnessIArH2Carrier Gas洛氏硬度(HR45Y)K1193.2222.3191.1184.5K2204.6203.2207.1209.2K3218.719
25、1218.3222.8k164.474.163.761.5k268.267.769.069.7k372.963.772.874.3极差 R8.5 10.4 9.1 12.8 主次因素DBCA第 2 期 47 图 2 喷涂工艺参数对洛氏硬度影响趋势:(a)电流;(b)氩气流量;(c)氢气流量;(d)载气流量Fig.2 The influence trend of spraying process parameters on Rockwell Hardness:(a)current;(b)argon flow;(c)hydrogen flow;(d)carrier gas flow图 2 是 BS
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