PS-PVD制备YSZ热障涂层抗熔盐腐蚀研究.pdf
《PS-PVD制备YSZ热障涂层抗熔盐腐蚀研究.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《PS-PVD制备YSZ热障涂层抗熔盐腐蚀研究.pdf(9页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、材料研究与应用 2023,17(3):503511Materials Research and ApplicationEmail:http:/PS-PVD制备 YSZ 热障涂层抗熔盐腐蚀研究曾卓见1,2,毛杰2,邓子谦2,戴红亮2,胡永俊1,汪克威1(1.广东工业大学材料与能源学院,广东 广州 510006;2.广东省科学院新材料研究所/现代材料表面工程技术国家工程实验室/广东省现代表面工程技术重点实验室,广东 广州 510650)摘要:为提高舰船燃气轮机上热障涂在海洋环境中层的工作寿命,研究了新型热障涂层在模拟海洋环境下的腐蚀性能。采用等离子喷涂-物理气相沉积(PS-PVD)技术,在已喷涂粘
2、结层(NiCoCrAlY)的 DZ40M高温合金基体上制备 7YSZ 陶瓷层,然后用 Na2SO4(质量分数 45%)+V2O5(质量分数 55%)混合熔盐在1 050 下对涂层进行腐蚀实验。利用场发射-扫描电镜、X 射线衍射仪、能谱仪对涂层表面和截面的组织结构及 1 050 高温熔盐腐蚀后涂层的物相组织和熔盐渗透深度进行了分析。研究结果表明,硫酸盐与钒酸盐的混合盐对涂层中的 TGO 层破坏显著,t-ZrO2相变与 TGO的生长是导致涂层脱落的主要原因。关键词:海洋环境;热障涂层;YSZ;TGO;熔盐腐蚀中图分类号:TG174.451文献标志码:A 文章编号:1673-9981(2023)03
3、-0503-09引文格式:曾卓见,毛杰,邓子谦,等.PS-PVD 制备 YSZ 热障涂层抗熔盐腐蚀研究 J.材料研究与应用,2023,17(3):503-511.ZENG Zhuojian,MAO Jie,DENG Ziqian,et al.Study on Molten Salt Corrosion Resistance of YSZ Thermal Barrier Coating Prepared by PS-PVD J.Materials Research and Application,2023,17(3):503-511.随着我国“深蓝战略”的实施,航空发动机与燃气涡轮发动机不仅面临
4、普通大气环境中的灰尘、沙砾的冲蚀,还要面临海洋大气所带来的高湿、高盐雾的腐蚀1-5。而热障涂层作为提升发动机服役时长的重要热防护材料之一6-7,其最为常见的结构是由陶瓷层与金属粘结层组成的双层结构,其中陶瓷层为主要的隔热层,广泛使用的材料为 YSZ(掺杂Y2O3(质量分数 6%8%)的 ZrO2),而金属粘结层作为缓解陶瓷层与金属基体间的热膨胀不匹配的过渡层8-9,其成分为 MCrAlY(M 为 Co、Ni或 CoNi合金)。目前,热障涂层制备的主流工艺有大气等离子喷涂(APS)、电子束物理气相沉积(EB-PVD)、低压等离子喷涂(LPPS)、等离子喷涂-物理气相沉积(PS-PVD)等10-1
5、1。等离子喷涂-物理气相沉积(PS-PVD)是通过较低的压力和较高的功率使粉末熔融或者进一步气化,在喷涂过程中实现固-液、气-液或多相的混合沉积的涂层制备工艺12-13。相较于 APS与 EB-PVD 涂层制备工艺,PS-PVD 具有工艺参数可变性大,以及涂层沉积率高、热导率低、隔热与抗热震性能良好等优点,成为最具潜力的热障涂层制备技术之一14。在海洋环境下热障涂层承受着多元复杂腐蚀,如高温带来的 TGO 界面失效与烧结效应、高盐雾带来的熔盐腐、飞行时火山灰进入发动机内部的CMAS 腐蚀等15,均会使涂层脱落失效,从而降低发动机的工作寿命16-17。当前,对于热障涂层的失效机理大部分是在正常大
6、气环境下进行的,但无论是涡轮发动机或燃气轮机均会面临在海洋环境服役的情况,海洋大气中的 Na、Cl、S 与燃料燃烧后产成的 V 等元素在高温下生成的钒酸盐及硫酸盐会在高温下与陶瓷层发生反应18-19,导致发动机叶片上的涂层过早失效、涂层寿命大幅度降低。本文采用 PS-PVD 工艺制备涂层,并且在制备好的涂层表面均匀涂覆 Na2SO4与 V2O5的混合盐,然后置于 1 050 的马弗炉内进行高温熔盐腐蚀,模拟海洋环境中发动机上的热障涂层所受到的腐蚀,分析涂层的高温熔盐腐蚀机理,旨在为后续提高PS-PVD热障涂层的抗海洋环境性能做好铺垫。1实验部分1.1涂层试样制备喷涂粘结层及陶瓷层分别使用美科公
7、司生产的收稿日期:2023-02-17 基金项目:国家自然科学基金青年基金(52001077);广东特支计划本土创新创业团队(2019BT02C629);广东省基础与应用基础研究基金(2020B1515020036);广州市科技计划项目(202007020008);广东省科学院项目(2022GDASZH-2022010109)作者简介:曾卓见,硕士研究生,研究方向为高温热障涂层,E-mail:。DOI:10.20038/ki.mra.2023.000312材料研究与应用 2023年 第 17 卷 第 3 期NiCoCrAlY(AmdryTM9624,Oerlikon Metco)和7YSZ(M
8、6700,Oerlikon Metco)纳米团聚粉末,通过 等 离 子 喷 涂-物 理 气 相 沉 积 设 备(PS-PVD,Sulzer Metco)在直径 25 mm6 mm 的 DZ40M 高温合金基体小圆片上先后沉积粘结层和陶瓷层,其中粘结层的厚度为 80100 m、陶瓷层厚度为 250300 m。粘 结 层 和 陶 瓷 层 的 喷 涂 工 艺 参 数 列于表 1。1.2高温熔盐腐蚀制备的样品表面以 10 mgcm-2涂敷密度均匀涂抹 Na2SO4+V2O5混合盐,Na2SO4及 V2O5的熔点分别为 884 和 690。将喷敷好混合盐的圆片放入已经升温至 1 050 的马弗炉中,分别
9、腐蚀 60、120 和180 min后依次取出,冷却至室温。1.3微观结构和表征采用 X 射线衍射仪(XRD,Cu-K,RIGAKU)、场 发 射-扫 描 电 子 显 微 镜(SEM,Nove-Nano-430,FEI)、能量色散光谱仪(EDS),对腐蚀前后的涂层表面、截面进行相结构、微观组织表征。2结果与分析2.1腐蚀后涂层表面分析图 1为熔盐腐蚀后涂层表面的宏观形貌。从图1可见:随着高温熔盐腐蚀时长的增加,涂层由最初的白色向淡黄色转变且颜色不断加深,涂层边缘的颜色较于中心部分更深,以至于在涂层边缘形成黄色环状带;当腐蚀 120 min 时,涂层边缘黄色环状带凸起明显;当腐蚀 180 min
10、 时,涂层边缘开始脱落,凸起部分的涂层脆性较大,容易破损。图 2 为熔盐腐蚀后涂层的 XRD 图。从图 2 可见:未经腐蚀及熔盐腐蚀 60 min 的涂层表面,他们的物相主要为 t-ZrO2和少量 m-ZrO2,经 120 min 腐蚀后,涂层表面出现少量 YVO4相,而且 t-ZrO2相表 1PS-PVD喷涂工艺参数Table 1PS-PVD spraying process parameters材料NiCoCrAlY7YSZ电流/A1 6502 600喷涂功率/kW87.8131.4气体流量/(Lmin1)Ar11035He60H26O22载气610送粉速率/(gmin1)302.52喷涂
11、距离/mm4501 000(a)未腐蚀;(b)腐蚀 60 min;(c)腐蚀 120 min;(d)腐蚀 180 min;(e)腐蚀 120 min 局部放大图;(f)腐蚀 180 min局部放大图。(a)uncorroded;(b)corrosion for 60 min;(c)corrosion for 120 min;(d)corrosion for 180 min;(e)partial enlarged view of 120 min corrosion in Figure(c);(f)partial enlarged view of 180 min corrosion in Figu
12、re(d).图 1熔盐腐蚀后涂层宏观形貌图Figure 1Macro morphology of sample after molten salt corrosion峰强减弱、m-ZrO2相峰强增强;经 180 min 腐蚀后,涂层表面伴有 Na2O 相出现,而且 YVO4相、m-ZrO2相的峰强持续增强,但涂层表面还是以 t-ZrO2相为主。图 3 为不同腐蚀时间的涂层表面形貌。从图 3可见:未经熔盐腐蚀时,涂层表面主要是由气相沉积生成的“花椰菜头”为主,同时伴随着少量的液相沉积与未融粒子的固相沉积的颗粒;经熔盐腐蚀后,生成物开始在涂层表面的“花椰菜头”上或“花椰菜头”之间的间隙中生成且大部
13、分为棒状,但仍有部分的板状生成物出现,用 Image J软件测量长度约为 23 m;腐蚀 120 min 后,涂层表面的生成物继续生长,由棒状变成板状,板状长度约为 4 m,宽度约为1 m,“花椰菜头”上出现大量颗粒物;腐蚀 180 min后,涂层表面板状生成物持续生长,长度约为 8 m、宽度为 23 m。但涂层表面“花椰菜头”结构基本完好,并未出现大范围分解情况。随后对熔盐腐蚀 180 min 的涂层表面生成物进行 EDS 点扫元素分析,结果如图 4 所示。从图 4 可见,板状生成物主要元素为 V、O、Na、Zr和 Y。这是由 于 Na2SO4与 V2O5首 先 会 在 高 温 下 反 应
14、生 成NaVO3,而 NaVO3与 ZrO2(Y2O3)反应生成 YVO4晶体、Na2O 和 m-ZrO2,而 生 成 物 中 的 Na2O 又 会 与V2O5反应生成 NaVO3,从而加速了 YVO4晶体与 m-ZrO2的生长20。结合腐蚀后涂层表面 XRD结果,可以确定,板状生成物为混合熔盐与 ZrO2(Y2O3)反应后生成的 YVO4晶体,颗粒物为 m-ZrO2。图 2熔盐腐蚀后涂层表面的 XRD图Figure 2XRD diagram of molten salt corrosion specimen surface(a)未腐蚀;(b)腐蚀 60 min;(c)腐蚀 120 min;(
15、d)腐蚀 180 min。(a)uncorroded;(b)corrosion for 60 min;(c)corrosion for 120 min;(d)corrosion for 180 min.图 3熔盐腐蚀后涂层表面的 SEM 图Figure 3SEM image of sample surface after molten salt corrosion504曾卓见等:PS-PVD制备 YSZ 热障涂层抗熔盐腐蚀研究峰强减弱、m-ZrO2相峰强增强;经 180 min 腐蚀后,涂层表面伴有 Na2O 相出现,而且 YVO4相、m-ZrO2相的峰强持续增强,但涂层表面还是以 t-ZrO
16、2相为主。图 3 为不同腐蚀时间的涂层表面形貌。从图 3可见:未经熔盐腐蚀时,涂层表面主要是由气相沉积生成的“花椰菜头”为主,同时伴随着少量的液相沉积与未融粒子的固相沉积的颗粒;经熔盐腐蚀后,生成物开始在涂层表面的“花椰菜头”上或“花椰菜头”之间的间隙中生成且大部分为棒状,但仍有部分的板状生成物出现,用 Image J软件测量长度约为 23 m;腐蚀 120 min 后,涂层表面的生成物继续生长,由棒状变成板状,板状长度约为 4 m,宽度约为1 m,“花椰菜头”上出现大量颗粒物;腐蚀 180 min后,涂层表面板状生成物持续生长,长度约为 8 m、宽度为 23 m。但涂层表面“花椰菜头”结构基
17、本完好,并未出现大范围分解情况。随后对熔盐腐蚀 180 min 的涂层表面生成物进行 EDS 点扫元素分析,结果如图 4 所示。从图 4 可见,板状生成物主要元素为 V、O、Na、Zr和 Y。这是由 于 Na2SO4与 V2O5首 先 会 在 高 温 下 反 应 生 成NaVO3,而 NaVO3与 ZrO2(Y2O3)反应生成 YVO4晶体、Na2O 和 m-ZrO2,而 生 成 物 中 的 Na2O 又 会 与V2O5反应生成 NaVO3,从而加速了 YVO4晶体与 m-ZrO2的生长20。结合腐蚀后涂层表面 XRD结果,可以确定,板状生成物为混合熔盐与 ZrO2(Y2O3)反应后生成的 Y
18、VO4晶体,颗粒物为 m-ZrO2。图 2熔盐腐蚀后涂层表面的 XRD图Figure 2XRD diagram of molten salt corrosion specimen surface(a)未腐蚀;(b)腐蚀 60 min;(c)腐蚀 120 min;(d)腐蚀 180 min。(a)uncorroded;(b)corrosion for 60 min;(c)corrosion for 120 min;(d)corrosion for 180 min.图 3熔盐腐蚀后涂层表面的 SEM 图Figure 3SEM image of sample surface after molten
19、 salt corrosion505材料研究与应用 2023年 第 17 卷 第 3 期2.2腐蚀后涂层截面分析图 5 为经熔盐腐蚀后涂层截面的 SEM 图。从图 5可以看出:在涂层中部柱状晶枝晶明显,熔盐腐蚀 60 min 后主晶边缘“伸展”而出的枝晶仍具有典型的“羽毛状”结构;熔盐腐蚀 120 min后柱状晶“花椰菜头”层晶体间隙处的枝晶开始融合,晶体边缘“羽毛状”结构被破坏,主晶与晶体间隙中有片状产物生成,在涂层上形成一条清晰的带状区域,TGO层也在逐渐变厚;在腐蚀 180 min 后,随着腐蚀时间的增加柱状晶间被片状物填充区域不断变宽,随着腐蚀时间的增加,片状生成物附着在主晶上的深度在
20、不断加深,且陶瓷层与粘结层之间开始出现裂纹,陶瓷层即将脱落。运用 Image J 软件测量截面 3 个区 域 的 孔 隙 率,顶 端 约 为 11.1%、中 间 层 约 为27.5%、底层约为 5.2%。(a)SEM;(b)EDS。图 4熔盐腐蚀 180 min后涂层表面生成物的 EDS图Figure 4EDS diagram of coating surface products after molten salt corrosion for 180 minutes(a)未腐蚀;(b)腐蚀60 min;(c)图(b)局部放大图;(d)腐蚀120 min;(e)腐蚀180 min;(f)图(e
21、)局部放大图。(a)uncorroded;(b)corrosion for 60 min;(c)partial enlarged view of figure(b);(d)corrosion for 120 min;(e)corrosion for 180 min;(f)partial enlarged view of figure(e).图 5熔盐腐蚀后涂层截面的 SEM 图Figure 5SEM diagram of sample cross section after molten salt corrosion506曾卓见等:PS-PVD制备 YSZ 热障涂层抗熔盐腐蚀研究为了进一步分析
22、熔盐在涂层内部的渗入情况,对不同腐蚀时间的试样截面进行 EDS 元素面扫分析。图 6 为熔盐腐蚀 60 min 涂层截面的 EDS 图。从图 6 可见,因为生成了 TGO 层的缘故,Al和 O 元素在陶瓷层与粘结层之间有明显的聚集,粘结层中其他的 Ni、Co、Cr元素均匀分布。图 7 为腐蚀 120 min 后涂层的 ESD 图。从图 7可见,V 元素在深度 100150 m 处聚集,在相同位置 Y元素也产生聚集现象且主要聚集在主体柱状晶中部的晶间间隙中,而 Al和 O 元素聚集更为明显使TGO层进一步变厚。图 8 为腐蚀 180 min 后涂层的 EDS 图。从图 8可见:V和Y元素聚集深度
23、在250280 m,部分已到达涂层底端致密层;同时,可以看出涂层TGO层开始出现裂纹,Al元素的聚集区域随着裂纹的产生被破坏,Ni、Co和Cr元素在粘结层与陶瓷层界面处聚集。图 9 为熔盐腐蚀 180 min 后涂层表面生成的层状生成物的 EDS图。从图 9可见,生成物主要由 O、V、Zr和 Y 等元素构成,随着腐蚀时间的延长,熔融态的 Na2SO4和 V2O5在涂层晶体间的间隙聚集,并且优先与主晶上“伸展”而出的枝晶发生反应,在主晶与枝晶间生成 YVO4晶体和 m-ZrO2,使得“羽毛端”枝晶结构被破坏,枝晶与主晶的间隙被生成物所图 6熔盐腐蚀 60 min涂层截面 EDS图Figure 6
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- PS PVD 制备 YSZ 热障 涂层 抗熔盐 腐蚀 研究
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。