摘要
热障涂层（Thermal barrier coatings,TBCs）被广泛应用于航空发动机及燃气轮机高温热端部件，保护其不受高温燃气侵蚀，从而实现对合金基体的保护。热障涂层通常由保护高温合金基体氧化的MCrAlY（M=Ni,Co或NiCo）粘结层（Bond Coat,BC）、具有隔热作用的隔热面层（Top Coat,TC）以及高温服役过程中粘结层表面生成的热生长氧化物层（Thermally grown oxide,TGO）构成。TGO层的成分、厚度等特征决定着TC/BC界面处的应力大小和分布，延长热障涂层的高温使用寿命，控制TGO成分是单一的θ-Al2O3，并尽可能保持其缓慢增长是关键。粘结层的制备及其处理工艺能显著影响其结构进而决定TGO的生长特征。喷涂过程中粘结层粉末尽可能少的氧化与致密结构有利于服役过程中粘结层表面生成具有抗氧化保护作用α-Al2O3膜。相比于等离子喷涂（APS），爆炸喷涂（DS）的过程中金属粒子温度低、涂层致密、结合力强，在热障涂层粘结层制备领域表现出良好的潜力。真空预氧化工艺利用粘结层中Al元素活性最高的性质，在较低的氧分压下，Al优先与氧气反应生成Al2O3，同时高温（1000℃以上）会促进θ-Al2O3向α-Al2O3转变，使粘结层表面尽早生成连续的α-Al2O3膜，阻止氧气进一步渗入，提高热障涂层的抗氧化性能。 本文首先以涂层孔隙率最低为目标，优化爆炸喷涂NiCoCrAlY粘结层工艺参数，确定最佳氧燃比，再分别以爆炸喷涂和等离子喷涂制备NiCoCrAlY粘结层，并在其上制备8wt.%Y2O3稳定ZrO2（8wt.%yttria stabilized zirconia,8YSZ）陶瓷隔热层，分析了两种粘结层结构下热障涂层的抗高温氧化性能。利用XRD、SEM和EDS对涂层物相、微观结构和成分进行分析，并对其与基体结合状态、抗高温氧化性能进行研究。最后优化爆炸喷涂NiCoCrAlY涂层真空预氧化工艺，确定最佳的预氧化时间，为今后改善热障涂层的抗高温氧化性能，延长其服役寿命，提供参考实验和理论基础。研究结果表明： 1、研究爆炸喷涂氧燃比对NiCoCrAlY粘结层性能的影响。氧燃比较低时，NiCoCrAlY粉末熔化不充分，与基体结合界面处存在大量孔隙，随着氧燃比的提高，粘结层孔隙率不断下降，硬度和结合强度都具有明显提高；在氧燃比为1.2时，粘结层截面维氏显微硬度HV0.1达到936.4kg/mm2、孔隙率为1.39%，粘结层与基材间的结合强度达到62.5MPa；继续提高氧燃比，粘结层力学性能下降。 2、研究粘结层结构对热障涂层的抗氧化性能的影响。爆炸喷涂粘结层内部组织致密，缺陷较少，与基体结合处孔隙少；而等离子喷涂粘结层内部的层状特征明显，孔隙较多，表面粗糙度较低。爆炸喷涂粘结层氧化5h后表面生成了一层富Al2O3的致密氧化物膜，而等离子喷涂粘结层表面形成了富NiO、CoO、Cr2O3和Ni(Cr,Al)2O4的氧化物层，并出现了许多微裂纹和片层状氧化物。爆炸喷涂热障涂层试样在前5h氧化增重速率高于等离子喷涂试样，随后变平缓，而等离子喷涂试样氧化速率依然较高。爆炸喷涂热障涂层的热生长氧化物层经50h氧化后仍呈连续状，厚度均匀，粘结层内氧化物缺陷较少。爆炸喷涂粘结层组织均匀、致密，喷涂时粉末的氧化以及高温下粘结层的内氧化较少，使得足够的Al较快速地在粘结层表面形成致密的Al2O3，表面一定厚度的Al2O3层抑制了氧和其他金属原子的相向扩散反应，提高了热障涂层的抗高温氧化性能。 3、研究爆炸喷涂NiCoCrAlY粘结层的真空预氧化工艺对热障涂层抗氧化性能影响。经真空预氧化后，爆炸喷涂NiCoCrAlY粘结层表面氧化产物为α-Al2O3，且其含量随着预氧化时间的增加而增加；真空预处理10h时，α-Al2O3在粘结层表面连续成膜；相同氧化条件下，粘结层经真空预氧化10h的热障涂层增重速率低于爆炸喷涂-超音速等离子喷涂热障涂层。真空预氧化生成的α-Al2O3层对涂层起到了良好的高温保护效果。
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