等离子喷涂准晶热障涂层研究.pdf
有色金属 冶炼部分2 0 0 8 年增刊 6 7 等离子喷涂准晶热障涂层研究 王全胜,李佳彬,石峰,柳彦博 北京理工大学材料科学与工程学院,北京1 0 0 0 8 1 摘翼采用等离子喷涂法制备了A l C u C o S i 准晶涂层,并对其进行了结合强度、抗热冲击性能及热扩散率 戆溅试,逶过金援最缴镌、X 象线衍射 X R D ,搀接邀子爨镞镜 S E Ⅺ 等方法鞭完了涂屡截瓣戆形貌霸 缭梅。结果表甓,采掰等离子囔涂可以褥蜀其有十嚣俸礁菇褶静A t C u C o S i 壤螽涂层,箕结会疆度霹送 3 0M P a ;经过1 0 0 次4 0 0 ℃至室温的水淬热冲击后,涂屡来脱落,具有良好的扰热冲击性能;喷涂后没有 杂栩生成;在6 0 0 ℃时,涂层的热扩散系数仍很低,可以作为热障涂层使用. 美键词等离子喷涂;准晶涂层;热扩散系数 审黧分类号磁1 7 4 。4文蘩搽误秘A文章编号1 0 0 7 - - 7 5 4 5 { 2 0 0 8 S o 0 0 6 7 一0 3 S t u d i e so nQ u a s i c r y s t a I I i n eT B C sb yP l a s m aS p r a y i n g W A N GQ u a n s h e n g ,L IJ i a - b i n ,S H IF e n g ,L I UY a n - b o s c h o o lo fM a t e r i a lS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g ,B e i j i n gI n s t i t u t eo fT e c h n o l o g y ,B i n g1 0 0 0 8 1 ,C h i n a A b s t r a c t A 1 C u C o S iq u a s i c r y s t a l i n ec o a t i n gw e r e m a n u f a c t u r e db yp l a s m as p r a y i n gp r o c e s s .I t sb o n d s t r e n g t h ,t h e r m a ls h o c kr e s i s t a n c ea n dt h e r m a ld i f f u s i o nc o e f f i c i e n tw e r em e a s u r e d .T h ec o a t i n gc r o s ss e c “ t i o n a lm i c f o s t r u c t u r e ,p o r o s i t y ,a n dp h a s es t r u c t u r e sw e r es t u d i e dw i t hm e t a l l u r g i c a lm i c r o s c o p e ,X R D a n dS E M 。T h er e s u l t ss h o wt h a tt h eA 1 C u C o S ic o a t i n gh a sd e c a h e d r a lq 娃建s i c r y s t a i l i n ea p p r o x i m a t ep h a s e , t h eb o n ds t r e n g t ha p p r o a c h e dt O3 0M P a ,n oc r a c k sa n ds p a l la f t e r1 0 0t i m e st h e r m a ls h o c kf r o m4 0 0 ℃t o a t m o s p h e r i cw a t e r ,n op h a s e st r a n s f o r m a t i o na f t e rp l a s m as p r a y i n g ,t h et h e r m a ld i f f u s i o nc o e f f i c i e n ti s s t i l ll O W .T h e r m o r e ,t h i sA 1 C u C o S ic o a t i n gc a nb eu s e da st h e r m a lb a r r i e rc o a t i n g s . K e y w o r d s P l a s m as p r a y ;Q u a s i c r y s t a l i n ec o a t i n g s ;T h e r m a ld i f f u s i o nc o e f f i c i e n t 1 9 8 4 年以色列科学家S h e c h t m a n 在急冷A l M n 合金时发现一种特殊的晶体结构,该晶体结构 具赢五次对称轴、斑点鲜襞的黾子衔射圈榉,该晶薄 被命名为准晶体,并被后来的理论及实验涯实,放 此,人们开始对这种特殊的材料加以研究、开发和利 用[ 1 - 2 ] 。2 0 多年来,国际及圈内对准晶材料性能及 应用研究结果表硬[ 3 - 5 ] ,准鼹材料因其独特的结构 瑟具有独特的牲麓,主要表现在硬瘦高、摩擦系数 低、表面能低、耐磨、耐腐蚀、抗氧化,且导热性和导 电性差。缀然该材料在低泓下脆性较大,但在高温 时脆性消失并具有很好的塑性,且不会发生加工硬 纯强] 。交予攫菇捞辩本身具有蒌常亮薛脆摊,难浚 作者简介王全胜 1 9 6 8 ,男,硕士. 赢接加工成形,不邋合作为结构材料使用。目前阐 内外研究的重点主要集中在以粉束形态通过涂屡迸 符耪辩表面改性或作为软基材料增强体制戎复合材 辩p q 】。本文主要针对准晶豺辩舆有的低热导特性 进行研究,尝试将准晶粉末制备成具有低热导特性 的热障涂层,以满足铝基发动机热端部件的隔热需 要。 l 材料及试验方法 本试验采用的基体为L Y l 2 ,试样尺寸为国3 6 r a m 8m m 的圆柱体和具有三个国1 1m m 3m m 蠹魏酶蚕墨叛。掰采薅兹准晶粉末残分大致为 万方数据 6 8 有色金属 冶炼部分 2 0 0 8 年增刊 A l 挺s C u l 7 .sC o l tsS i 2 ,囔涂设备采用美蓬P r 8 x 鑫i r 一 譬A F A 表面技术公司生产的5 5 0 0 夔计算税控制的 等离子喷涂系统,等离子喷枪型毋为S G l 0 0 ,主要喷 涂工艺参数电流7 0 0A 、主气1 2 0 S C F H 、辅气2 0 S C F H 、载气1 0 S C F H 、送粉囊3 .5 R P M 、喷涂 距离1 0 0m m 。 将在Y L l 2 基体上制备好涂层的试样部分沿横 截面切开,经研磨、抛光处理后制成金相试样,分别 采用金相显微镜和S E M 对涂层的横截面进行观 察;对涂层进行X R D 分柝、抗热冲啬性能稳结合强 度的测试;采用激光频闪法对涂麽进行热扩散系数 测定。 2 试验结果与讨论 2 .1 耪来形貌及涂层徽结构 通过扫描电镜观察粉末形貌,结果如图1 所示, 可知,粉末粒度分布在3 0 ~1 0 0p m 之间,且球形度 较好,适合等离子喷涂工艺使用。在L Y l 2 铝基体 土喷涂A I C u C o S i 螽得囊酶涂层裁露金穗絮嚣2 骺 永。 图2A I C u C o S i 涂层截面金相 F i g .2M e t a l l o g r a p h yo fA l C u C o S ic o a t i n g 在A 1 C u C o S i 涂层上随祝选取不同区域送行孔 骧率测爨,结果表鹱,涂屡孔隙率在1 2 %~2 5 %,平 均值为1 8 %。由图2 可知,A 1 C u C o S i 涂层中有大 孔隙存在,其直径约5 “m 。 利用织播电镜观察刭的涂层截面形貌如蹑3 所 示,爵泼螽遗,A I C u C o S i 涂层涂层与基薅表蟊结合 良好。 图3A I C u C o S i 涂屡截匿形貔 F i g .3S E Mo fA I C u C o S ic o a t i n g 由图2 、图3 可知,采用等离子喷涂法得到的 A I C u C o S i 涂层,涂层内部存在较多大孔,其形成原 因有待遴一步研究。 采髑S £魏能谱分析对喷涂翦的A l e t l e o 粉 末及涂层截面进行了分析,截面分析区域如图4 所 示,测定结果如表1 所永。由表1 可知,粉末中四种 成分的原子百分比含量与原始粉末相比均略有降 舔,瑟氧翕量帮有新增船,说骥在囔涂避疆孛发生了 部分氧化。 图4 涂朦熊谱分析区域 F i g .4T h ea r e ao fe n e r g ys p e c t r u ma n a l y s i s 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 8 年增例 6 9 裘1A I C u C o S i 粉末及涂屡据攒毫镜熊谱分析缝采 T a b l e 重T 量l ee l e m e n t sc o n t e n to fA l C u C o S i p o w d e ra n dc o a t i n g /% 元素A lC uC oS iO 粉末 5 1 .1 41 9 .4 62 7 .7 3l 。6 6一 涂屡4 8 。7 S 1 8 。7 9z 5 。S l l 。5 75 。2 8 2 .2 粉末及涂层X R D 分析 分别将A 1 C u C o S i 原始粉末及涂层进行X 射线 衍射分析,结果如鼹s 。对两者进行比较,发现经过 唆涂后,各德射蜂的位置纛强度冗孚没有任舅交纯, 半峰宽略变窄,变得更明锐,榴结构没有发生改变, 在等离子喷涂过程中没有新相生成。 l O2 03 04 0.5 06 I7809 0 卸/ 。 圈5A I C u C o S i 粉末与涂层X 射线衍射图谱 F i g .5X 一携yd i f f r a c t i o ns p e c t r u mo f A I C u C o S ip o w d e ra n dc o a t i n g 2 .3 涂层拉伸强度 按H B 5 4 7 6 9 1 热喷涂涂鼷结合强度试验方 法露觏定镄备试样,并进行拉傍渡验,A 1 C u C o S i 涂层的拉伸结含强度在2 2 ~3 5M P a 之闻,平均德 为3 0M P a 左右。 2 .4 抗热冲击憔熊 由子基体材糕为Y L l 2 ,参照菜发动援‘活塞实 酥王况,选择A 1 C u C o S i 涂层的绷热温度4 0 0 ℃、保 溆时间为1 0r a i n 、冷却方式为水淬,结果表明,A 1 - C u C o S i 涂层经过i 0 0 次热冲击藤,未发现任何开 裂、剥落等失效现象发生。 2 。5 热扩散系数 上述涂层相结构、拉伸强度及抗热冲击性能测 定结果表明,所制备的A 1 C u C o S i 粉末不仅能够满 熙等离子喷涂工艺的要求,所获得的涂层性能也熊 够满足实琛使用黉采,徨泫涂层是否照够作势热障 涂屡使用,最重要的是该涂层是褥具有较低的热导 率。由于材料的热导率值不能或接进行测量,酋先 采用激光频闪法对A 1 C u C o S i 涂层分别在2 0 0 ℃、 4 0 0 2 鬏6 0 0 “ C 时的热扩散系数进行7 溅试,结果分 别隽 1 0 叫m 群/s 1 。9 1 、2 .1 1 、2 .0 6 。由结果可 知,所制备的A 1 C u C o S i 涂层的热扩散系数很低,且 随着温度的增加,其热扩散系数并没有火幅度增加, 在2 0 0 ~6 0 0 ℃湿度藏阉内,其变化蠛度只有约 王0 妊。准鑫热障涂层存在的重要特悭之一,帮是其 热导率随温度的变化蟠度较大,特别是当温度高于 1 0 0 ℃后,这种特性更加明显凹] 。但本文所研制的 A I C u C o S i 涂层在低予6 0 0 ℃时其热力学性质基本 稳定,霹浚络为热障涂屡使震。 3结论 1 采用大气等离予喷涂技术制备出了基本保 持准晶棚结构的A 1 C u C o S i 涂层; 2 耧备懿A 1 C u C o S i 准晶涂层与乙Y 1 2 基俸 结合良好,结合强度可达3 0M P a 左右;j 3 在L Y l 2 基体上制备的A I C u C o S i 准晶涂层,经 过1 0 0 次4 0 0 “ C 水淬整体热冲击后,没有侄何开裂、剥 落等失效瑗象发生,具有傀炎鳇抗热肄啬貔力; 4 所制备的A 1 C u C o S i 涂层具有稳定的热力 学性质,在6 0 0 ℃时其热扩散系数仍较低,可以作为 热障涂层使用。 参考文簸 E l iS h e c h t m a nD ,B l e c hLM e t a l l i cp h a s ew i t hl o n g - r a n g e o r i e n t a t i o n a lo r d e ra n dn ot r a n s l a t i o n a ls y m m e t r y [ J ] . P h y sR e vL e t t ,1 9 8 4 ,5 3 2 0 1 9 5 1 1 9 5 3 。 [ 2 ] L e v i n eD ,S t e i n h a r d tP ,Q u a s i e r y s t a t s .An e wc l a s so f o r d e r e ds t r u c t u r e s E J ] .P h y sR e vL e t t ,1 9 8 4 ,5 3 2 4 7 7 2 4 8 0 . [ 3 ] 李忠强,徐洲,李小平,簿.准晶材料的应用研究进展 [ J ] 。豺j l i 车导报,2 0 0 2 2 9 一l o . [ 毒】羹麓。壤鑫耪辩[ 醚] .1 £索螯舞王建窭簸李主,1 9 9 8 。 [ 5 ] 王畿卉,秘承正,桂嘉年.准晶物理学[ M ] 。j £京科学 出版被,2 0 0 4 . [ 6 ] K a n gSS ,D u b o i sJM .C o m p r e s s i o nt e s t i n go fq u a s i e ‘ r y s t a l l i n em a t e r i a l s 口] 。P h i lM a gA ,1 9 9 2 ,6 6 2 ;8 2 8 7 。 [ 7 ] M i c h i a k iY a m a s a k i ,A nP a n gT s a i .O x i d a t i o nb e h a v i o r o fq u a s i c r y s t a l l i n eA 1 6 3C u 2 5F e , za l l o y sw i t ha d d i t i o n a le l e m e n t s [ J ] .J o u r n a lo fA l l o y sa n dC o m p o u n d s ,2 0 0 2 , 3 4 2 ;4 7 3 - - 4 7 6 。 [ 胡李冬警.A 1 s s C u z s F e 蜡壤燕与镁、镫及其会衾复合遘程懿 研究[ D ] .上海上海交通大学,2 0 0 6 . [ 9 3D u b o i sJM .有用的准鼎体[ M ] .上海复且大学出版 社,2 0 0 6 。 万方数据