1、 中文翻译陶瓷厚度对铝合金等离子喷涂热障涂层残余应力的和粘结强度的影响摘要： NiCoCrAlY8wt%Y2O3 涂层是铝合金等离子喷涂用来研究陶瓷厚度对残余应力和结合强度影响。 提出了一种新的基于 Stoney 方程和基体去除技术的应力计算方法。在粘结层的应力和陶瓷的研究中，随着陶瓷厚度的增加，这两层中的残余应力进行压缩然后拉伸。当陶瓷薄时，基板较大热的膨胀系数为残余应力的形成发挥了重要作用。然而，陶瓷涂层变厚时，内在的沉积应力占优势。接合强度降低，并且断裂面的朝陶瓷表面移动。所述表面的移动，主要是起因于应力梯度的变化和陶瓷界面附近高孔带较弱。1、引言热障涂层通常应用于制造飞机和电站涡轮发动
2、机的镍基高温合金，提高发动机的效率通常要求更高的入口燃料气体温度。因此，有必要发展不超过金属熔化温度的高温合金的技术。传统的 TBC 系统由金属粘合涂层（MCrAlYX 中，M=镍/钴，X=硅，铪，钽）和 8YSZ 的陶瓷面漆（氧化锆稳定化的具有 8（重量） ）组成32OY热障涂层通常是通过电子束物理气相沉积或相对低成本的等离子喷涂制备。在热喷涂层-基板体系的制备过程中，残余应力的产生可能是由于在基体和涂层之间的热膨胀失配，喷涂层的快速收缩和可能的相变。此外，残余应力可能对涂料的机械性能有强烈影响，如抗剥落、疲劳寿命和粘接强度。随着铝合金的应用，轿车发动机缸体可减少高达 50%的重量，也有对热
3、障涂层在柴油机高隔热部件上的类似应用研究，尤其是对活塞和缸盖表面。TBC 系统还可以提高铝合金的耐磨性和耐腐蚀性，特别是在更高的温度。不幸的是，铝合金的热膨胀系数（CTE）比陶瓷和高温合金高很多。此外，在发动机中逐渐使用较厚的陶瓷涂层（ 500 微米），以获得更好的较低温度的热绝缘基体。因此，铝合金涂层内部的残余应力与在高温合金中完全不同。在一些关于陶瓷涂层参数的报告中，如厚度和孔隙率，可以很明显的影响它的机械性能。因此，研究残余应力及其与加工条件的变化是必要的，以实现涂层在实际应用中的优化。在这项研究中，陶瓷涂层沉积在不同厚度的铝合金中，而粘结涂层的厚度保持不变，提出了在粘结层和陶瓷的残余应
4、力的计算方法。对残余应力的形成和分布受铝合金和陶瓷层厚度的影响进行了研究，对残余应力和粘结强度之间的关系进行了讨论。2、实验细节2.1、材料和涂层的沉积铝合金 5A06（按照 GB/ T3190-2008）用作基材，8YSZ 的粉末 204NS 是从苏尔寿美科购买的，粉末 NiCoCrAlY 是从北京矿冶研究总院购买。粘结涂层和基板的组合物与以往研究相同。基材和涂层的一些热物理性质列于表 1。表 1双面涂层沉积在具有尺寸为 50 40 6 mm3（厚度 6mm）的基板进行制备样品的残余应力测试。圆盘状基板（直径为 12 毫米，厚度为 6 毫米）被用来测试沉积涂层的结合强度。基板用 30 目金刚
5、砂喷砂来除去氧化膜，使沉积前粗糙。粘结涂层（NiCoCrAly，厚度约 100 微米）和陶瓷面漆（8YSZ）通过使用喷雾单元大气等离子喷涂（F4 喷枪，苏尔寿美科）用 Ar- 作为载气沉积。标称2H厚度分别为 100 微米，250 微米，500 微米，750 微米和 1000 微米的陶瓷面漆。此外，单层粘结涂层和 100 微米厚的陶瓷都直接沉积在基板上，来进行残余应力计算。喷涂参数列于表 2 中。对于在沉积期间施加于基板上的涂覆，除了在自然空气的室温下冷却没有别的技术。为了冷却基板，该喷涂过程中每沉积250 微米的陶瓷后暂停 5 分钟。在基板最高温度为 330 C 时的沉积过程中，该过程是通过
6、一个基板背面为 K 型钻孔的热电偶。2.2。测试方法陶瓷的实际厚度是由一个电磁测量厚度计（MINITEST600，ElektroPhysik）测量 10 次。用手持仪（TR200，时代集团公司）测定它们沉积涂层的表面粗糙度 30 次。用金相显微镜（u-remps2，奥林巴斯）测定陶瓷涂层的孔隙率。环境扫描电子显微镜（SEM，XL-30 FEG，FEI）用于组织评价。维氏硬度测量（fm-700，未来科技）是对涂层基体抛光截面进行测量。陶瓷和粘结层的压痕负载为 100 克，将 50g 在陶瓷粘结涂层界面，25 克在基体上，停留时间为 15 秒。为了获得更可靠的值，对于每一个结果进行 10测试。为了
7、提高结果的准确性，选平滑区域进行测试，模糊的界限忽略不计。残余应力是根据以化学底物去除为方法的无支撑涂层变形来计算的。当条件满足方程时，基于基板涂层系统的经典斯托尼方程曲率评价，也被应用于作为这一方法的补充。将样品通过一个低速锯（ISOMET，Beuhler）切成尺寸约为5036 立方毫米的长条带，然后双面涂层在几分钟之内从该热浓 NaOH 溶液基体通过剥离。此外，该层的 NiCoCrAly 几乎在几小时内就可以溶解在盐酸中。表 2只有少量不溶粉末（硅，钽，等等）被留在陶瓷，但可以通过超声波脱离。双面涂层剥离的示意图，如图 1a 所示。自由涂层的尺寸是由游标卡尺测量三次，以获得平均结果。应用基
8、于 ISO 4624：2002 的拉伸速率为 2 毫米/分钟的Instron 材料试验机（型号 1121），通过拔出试验（见图 1b），对双面涂层的结合强度进行了检查。试验用胶粘剂环氧胶粘剂（adbest，E-7 型）是在上海合成树脂研究所生产的。该粘合剂在 120条件下保持 3 小时固化。为减少随机误差的影响，该粘合强度均从一式五份的试验中获得。图 1表 33,结果与讨论3.1,涂层的微观结构和应力的形成实际的陶瓷厚度如表 3 所示。该沉积涂层横截面是用 1000 微米厚度的陶瓷，如图 2（a-d）。毛孔明显分布在通过等离子喷涂法制备的陶瓷涂层。粘结层是比陶瓷涂层相对紧凑的结构，这是由于 N
9、iCoCrAlY 粉末在等离子射流中更容易融化。高孔带（高压区）陶瓷涂层的形成是值得注意的，这是具有厚度为 300微米的接近粘结涂层。从表中 3 可以看出随着陶瓷层厚度的增加，表面硬度增加，而表面粗糙度和孔隙率下降。另一方面，所述粘合涂层的表面粗糙度为13.11.6 微米。很明显，粘结涂层的粗糙表面对陶瓷层附近的结构有很大影响。图 2在沉积过程中，粉末在等离子体射流中熔化，然后撞到基板上，最后消失不见，熔滴很快变平并固化，然后形成图示结构，如图 2E 所示。所示图标的表面基本上是光滑的，但能发现在每个图都有几个主要裂缝。为了得到更可靠的结果，第五幅图被认为是每个陶瓷厚度的裂缝宽度。裂缝的宽度大
10、约为 0.5-0.7微米。还有，当陶瓷的厚度增加时，裂缝宽度没有显著的变化。放大图像（图2f）显示，8YSZ 是优先在垂直于图示的表面上选向的具有棱形形状的晶粒。晶间的裂缝是很明显的。事实上，由于冷却和液滴的相变，图示的形成过程中伴随着收缩。热量是从提示图标向表面和衬底的方向转移。此外，由于高速液滴（约 1 马赫），提示图标之间的喷丸压力也随之出现。由于该涂层基体系统的热平衡，这些应力可能产生的非常快。其结果是，当拉伸应力超过材料的极限拉伸强度时，垂直于表面的微裂纹可以在提示图标上产生。沉积压力是淬火和喷丸应力等综合因素造成的。这在理论上是不考虑外在因素的，如底物材料、涂层厚度等。因此，沉积压
11、力几乎是一个常数，不参与应力梯度部分形成。图 3在整个系统冷却到室温的过程中，冷却应力通常是由于涂层与基体的热膨胀系数和温度梯度之间的差异产生的。涂层和基体都会经历不同程度的体积收缩过程。在一般情况下，残余应力的最终状态主要是由与沉积应力叠加和冷却应力决定的3.2，应力计算原理3.2.，一般原则无论是理论分析、数值实验，都可以应用于残余应力的评价。由于喷涂工艺是相当复杂的，各种参数被简化可能对应力的形成产生影响，特别是对于一个理论研究来说。这通常会使结果不准确。在这里，有两个实验方法：涂层基体系统和化学底物去除技术的曲率测量都应用了应力计算，斯托尼方程通常用于计算附着到基板上的涂层的残余应力：
12、 （1）)1(6vdEsck在上面公式 1 中， 是平均残余应力，E 是杨氏模量 D 是厚度均匀的涂层， 基板系统 曲率是泊松比，下标 C 和 S 分别表示涂层和基体。当满足以下条件时这个方程是适用的：（a）两个涂层厚度和基板厚度是均匀的；（b）该涂层和基体有相同的半径 R，并且 hchsR32,33；由于这些原因，当基体和涂层很厚、曲率不明显时，它不是很适合于这个方程。基材去除方法可以释放涂层基体与结合约束相关的所有压力。然而，由于图标彼此连接，内部的约束仍然存在于自由涂层。因此，沉积应力没有被释放，这意味着只有冷却应力时用基板除去的方法。为了简化的应力的分析，假定弯矩和法向力在自由直立梁上
13、的曲率和长度的变化是沿着梁形涂层均匀变化的。事实上，根据建立在 TsuiClyne model 应力积聚机制的以往研究，人们认为应力分布几乎呈线性。然后根据线状弹性薄梁理论，因可以用来计算冷却应力： 1)2arcsin(2 lLdE(2)hr82 (3)其中 是在涂料的冷却应力，公式等字母的含义示于图 1A。整体弯矩可以由光束曲率计算，这导致整体的光束偏转： ldEfbM236(4)其中 M 是整体弯矩，F 是双涂层或陶瓷涂层偏转，B 是梁的宽度，d 为梁厚度（涂层厚度）然后从 M 导出涂层中的应力梯度可由下式给出： ldEhdfbtopbotm22 1(5) （下标 top 和底 botto
14、m 表示喷涂层的顶部和底部）3.2.2。应力的计算过程这两种方法的结合使用其主要目的是获取每一层复合涂层的沉积应力和冷却应力，他们被定义为残余应力叠加。陶瓷和粘结涂层的沉积压力可以通过公式（1）和（2）联合应用来确定。涂覆单层基板的厚度以低速由 6 毫米降低到约 1 毫米。那么式（1）应用在薄基片与单层涂层（粘结涂层或陶瓷，分别为117 微米和 106 微米）得到残余应力。基体移除之后，用单层涂层的冷却应力是由公式（2）计算。沉积压力是他们的差值。在双面涂层中每一层的冷却应力可以通过基板除去的方法来计算。冷却应力在陶瓷的复合涂层中可以容易地由（2）式计算。但是，从粘结涂层直接计算双面涂层的冷却
15、应力是困难的。相反，在双面涂层中应首先计算冷却应力的积分结果，该复合涂层的表观杨氏模量是通过以下方法：假设应力在各个组成部分或每一阶段都是相同的，VoigtReuss 模型可以大体反映出多层材料的杨氏模量的上限和下限： EVtbmax(6)(1minEVtb(7)其中 V 是体积分数, 下标 B 和 T 代表粘结涂层和陶瓷涂层, Emax 和 Emin 的平均值作为复合涂层的表观杨氏模量。然后将粘结涂层在双面涂层的冷却应力通过合理的数学计算进行评估。假设应力的积累是一定的： ddtbtb)(8)(2112yy(9)其中 是在双面涂料的平均冷却应力， 是自由 函数，y 为在粘合涂层的未确定的冷却
16、应力，y 是在从基板所得双面涂层冷却应力的积分结果。下标 1 和2 代表基板粘结涂层界面和粘结涂层陶瓷界面。粘结涂层的平均冷却应力和应力梯度是由方程（8）和（9）得到的。当 达到最小值时，Y1 和 Y2 可以确定。 达到最小值时： 2,121yyb(10)3.3。应力分布及变化图 4（a，c）显示在基体上单层粘结层和陶瓷的曲率，图 4（B，D）表示它们的涂层。涂层基体系统都表现为凸形，在基体移除之后，该涂层变成凹形的。这通常是估计的，这表明涂料的压缩应力存在。平均残余应力为-159.9MPa 和-189.2MPa。直接沉积在基体上的单层陶瓷和粘结涂层的冷却应力是-344.MPa 和-424.9
17、MPa。考虑到通过 Stoney 公式得到的最后的残余应力，粘结涂层和陶瓷的沉积应力分别为 184.1 MPa 和 235.7 MPa。涂层厚的基板无明显变形。各种厚度的自由陶瓷涂层的弯曲状态如图 4 所示。令人费解的是，凸曲率出现在无基材的双面涂层。然而，粘结涂层去除后，该陶瓷涂层顶部变成了凹形的。自由双涂层的曲度异常可以解释如下：陶瓷比粘结层的杨氏模量相对较小，单层粘结涂层的全长增量为 0.38，而双面涂层陶瓷面漆的全长增量是 0.62。这意味着，陶瓷的膨胀大于粘结涂层，从而导致凸曲率。表 3 和图 5 可以看到双面涂料的最终残余应力分布。对于粘合涂层和陶瓷涂层，当陶瓷的厚度从约 100
18、微米增加至约 1000 微米时，残余应力从压缩变为拉伸。随着陶瓷层厚度的增加，该复合涂层内的应力梯度降低，残余应力和应力梯度变化也更为平缓。总体上，粘结涂层和陶瓷的应力梯度都不是很高，但粘结涂层的陶瓷界面的应力梯度变大。这表明，可能仅在相同的材料中发生有效应力过渡。所有这些都是按照图 4 所示的曲率变化。图 6A 给出厚度陶瓷样品的陶瓷涂层的维氏硬度（HV），标准偏差的平均值为 18.9。对于具有恒固定厚度的陶瓷样品，陶瓷的硬度从粘结涂层到陶瓷界面表面逐渐增加。在同一位置的陶瓷，即距离相同的粘结层与陶瓷界面，随着陶瓷厚度的增加，维氏硬度（HV）降低。所以， HV 的绝对值主要取决于陶瓷的孔隙率。然而，残余应力也有很大的影响，很容易推断，当压应力在涂层或基板内比较高时，HV 变高，反之亦然。粘结涂层中央和靠近基板粘结涂层界面的HV 如图 6b 所示。此外，无涂层的基板和 100 微米的粘结涂层的维氏硬度分别为 98.63 和 87.69，所述单层粘结涂层的 HV 是 388.62。HV 的变化趋势与上述计算的应力分布情况一致，从另一个角度看，也是一个有力的证明。
