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涂層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

在實(shí)際使用中因零件形狀、大小、材質(zhì)、使用環(huán)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(shù)所涉及到的各個(gè)環(huán)節(jié)綜合在一起進(jìn)行優(yōu)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(diǎn)結(jié)合起來內(nèi)容涉及所選擇的噴涂材料、涂層厚度、相應(yīng)的噴涂設(shè)備和工藝參數(shù)等涂層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理一般要通過生產(chǎn)檢驗(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)才能確定。在熱噴涂應(yīng)用技術(shù)中所涉及的涂層結(jié)構(gòu)大體可分為以下四種。
1．單層結(jié)構(gòu)
單層結(jié)構(gòu)涂層是指只需要在經(jīng)過預(yù)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(jié)構(gòu)模式。在實(shí)際應(yīng)用中所占比例較大是最常用的熱噴涂涂層結(jié)構(gòu)之一可為基體提供防腐、耐磨、抗高溫氧化、導(dǎo)電、尺寸修復(fù)、延長(zhǎng)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(jié)構(gòu)涂層。
2．雙層結(jié)構(gòu)
雙層結(jié)構(gòu)涂層是指采用兩種噴涂材料在經(jīng)過預(yù)處理的零件表面分兩次噴涂形成的涂層結(jié)構(gòu)每層具有不同的功能通常與基體相鄰的涂層稱為粘結(jié)底層其主要作用是提高基體與涂層之間的結(jié)合強(qiáng)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(jié)構(gòu)涂層在實(shí)際應(yīng)用中所占的比例也較大也是最常用的熱噴涂涂層結(jié)構(gòu)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?jī)煞N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(jié)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(jié)底層再采用等離子噴涂表面工作層該組合是目前飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)用熱障涂層的典型工藝。
3．多層結(jié)構(gòu)
多層結(jié)構(gòu)是指涂層層數(shù)達(dá)三層或三層以上的涂層結(jié)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用中并不常用只在特殊工況條件下才采用。
有的多層結(jié)構(gòu)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(fā)出能夠滿足柴油發(fā)動(dòng)機(jī)用的長(zhǎng)壽命厚熱障涂層Robert等采用了熱膨脹系數(shù)非常接近的三層結(jié)合底層來降低涂層熱應(yīng)力其涂層結(jié)構(gòu)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(shù)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(dá)到減小熱應(yīng)力、延長(zhǎng)使用壽命的目的。

有的多層結(jié)構(gòu)則具有多種功能例如為了顯著提高汽輪機(jī)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(jié)層和熱障涂層之間增加阻止氧擴(kuò)散涂層并在金屬粘結(jié)層和阻止氧擴(kuò)散涂層、熱障涂層和阻止氧擴(kuò)散涂層之間增加梯度過渡層以阻礙氧擴(kuò)散到金屬粘結(jié)層形成脆性的金屬-陶瓷界面
4．梯度結(jié)構(gòu)
在熱障涂層中由于粘結(jié)層金屬和氧化鋯陶瓷的熱膨脹系數(shù)差異較大這種差異將導(dǎo)致涂層內(nèi)應(yīng)力過大并且在熱循環(huán)條件下常發(fā)生陶瓷涂層的早期破壞。為了減小內(nèi)應(yīng)力提高涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度材料科學(xué)家開始在常規(guī)熱障涂層中引入功能梯度材料制備技術(shù)。
日本學(xué)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(shí)中國(guó)學(xué)者袁潤(rùn)章等也提出了FGM的概念并率先在國(guó)內(nèi)開展了這方面的研究。FGM的設(shè)計(jì)思想是針對(duì)兩種或兩種以上性質(zhì)不同的材料通過連續(xù)改變其組成、組織、結(jié)構(gòu)與孔隙等要素, 使其內(nèi)部界面消失得到性能呈連續(xù)平穩(wěn)變化的新型非均質(zhì)復(fù)合材料。借助功能梯度材料的概念使熱障涂層結(jié)構(gòu)梯度化相應(yīng)地?zé)崤蛎浵禂?shù)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(huán)使用過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力。
梯度功能材料為金屬/陶瓷涂層材料無法解決的熱應(yīng)力緩和問題提供了一種有效的方法這為熱障涂層的應(yīng)用帶來了令人興奮的前景因此倍受世界各國(guó)材料界的重視。德國(guó)與美國(guó)繼日本之后也開始大規(guī)模的研制我國(guó)也將此研究列入了“863”計(jì)劃短短十幾年中迅速發(fā)展取得了令人矚目的成就。航天、航空、飛機(jī)、衛(wèi)星、運(yùn)載火箭等需要耐超高溫的熱屏障材料，核反應(yīng)堆、發(fā)動(dòng)機(jī)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(guó)內(nèi)已經(jīng)對(duì)功能梯度熱障涂層的抗熱震性能進(jìn)行了研究王富恥等人對(duì)等離子噴涂方法制備的ZrO2-NiCrAl系梯度熱障涂層在瞬態(tài)熱負(fù)荷下的破壞機(jī)理進(jìn)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(qiáng)度導(dǎo)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(xiàn)大的軸向拉伸應(yīng)力最終可以導(dǎo)致涂層剝落。朱景川等人對(duì)ZrO2-Ni系梯度熱障涂層的熱沖擊與熱疲勞行為進(jìn)行了研究結(jié)果表明：ZrO2-Ni系梯度熱障涂層的抗熱沖擊參數(shù)呈梯度分布熱沖擊破壞符合熱疲勞損傷機(jī)理裂紋的準(zhǔn)靜態(tài)擴(kuò)展為其控制因素；熱疲勞裂紋在梯度層內(nèi)以微孔聚集、連接方式萌生和擴(kuò)展而在梯度層間無橫向貫穿裂紋克服了傳統(tǒng)涂層的熱應(yīng)力剝落問題。黃維剛對(duì)ZrO2-NiCoCrAlY系梯度熱障涂層進(jìn)行了研究認(rèn)為去應(yīng)力退火可以進(jìn)一步提高涂層的抗熱沖擊性能。

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