等离子喷涂梯度耐热陶瓷涂层的研究展望

河　北　工　业　科　技

第19卷　第1期　第1页HEBEI JOU R N AL O F I ND U ST RI AL V ol.19　N o.1　P.1总第71期 2002年SCI EN CE&T ECHN O L OG Y Sum71 2002

文章编号:1008-1534(2002)01-0001-03

等离子喷涂梯度耐热陶瓷涂层的研究展望

徐雪霞1,阎殿然2

(1.河北师范大学物理系,河北石家庄　050016;2.河北工业大学教务处,天津　300130)

摘　要:主要概述了耐热梯度陶瓷涂层的研究现状,阐述了耐热梯度陶瓷涂层的制备、组织和性能研究的成果和存在的问题,并提出了耐热梯度陶瓷涂层发展的新方向。

关键词:耐热陶瓷涂层;梯度涂层;等离子喷涂

中图分类号:TG453 文献标识码:A

随着科学技术的发展,工程构件和机械零件的服役条件日益苛刻,对其性能要求也越来越高,在高温或内外温差大的环境下工作的部件,要求其具有优良的综合性能:如抗氧化、抗热震、抗热疲劳等,以燃气轮机的受热部件如喷嘴、叶片和燃烧室为例,它们处于高温氧化和高速气流冲蚀等恶劣环境中,承受温度达1100℃,已超过了高温镍合金使用的极限温度(1075℃),此时的有效方法就是采取其他替代材料。工程陶瓷具有高的化学稳定性,熔点高、硬度大、高绝缘绝热能力、热导率低、热膨胀系数小等,耐热性能十分优越,但塑变能力差,抗热震和抗疲劳性能差,对应力集中和裂纹敏感,质脆,机械加工困难等。其应用受到一定限制。采用等离子喷涂技术在金属基体表面制备耐热陶瓷涂层,可以结合金属高强度、高韧性和陶瓷耐高温的优点,获得一类性能优异的复合材料。本领域的广大科研工作者对等离子喷涂的制备工艺、组织和性能进行了一系列的研究,取得了引人瞩目的成果。然而,随着科学技术

收稿日期:2001-08-06;责任编辑:卞铜身

基金项目:河北省自然科学基金(501036)

作者简介:徐雪霞(1972-),女,河北大城县人,助教,硕士。的发展,对表面涂层材料的性能要求也不断提高,同时要求涂层材料的制备工艺及设备不断改进,涂层材料的组织结构、性能和机理也在逐步深入地研究[1]。

在等离子喷涂陶瓷涂层中,涂层与基体的界面是一个很重要也很棘手的问题。由于基体与涂层材料的化学成分相差很大,喷涂过程中在基体-涂层界面处就会由于温度和相变产生较大的残余应力,尤其是金属和陶瓷的热膨胀系数差异很大,在高温环境或内外温差大的环境下界面处变形不协调,产生很高的热应力,加上涂层形成的残余应力降低界面的结合强度,使涂层材料过早失效。解决这类问题的主要思路是:1)研究新的界面涂层材料,使其组织结构和性能既接近涂层又接近基体,加在涂层和基体间起过渡和搭桥的作用;2)基体待喷涂表面改性处理,使其组织和结构接近基体,同时又利于与界面涂层的结合;3)发展新工艺,在基体-涂层的界面处形成梯度分布,消除明显界面,使组织和性能呈连续分布。本文主要讨论采用梯度涂层改善耐热陶瓷涂层性能的研究。

1　梯度耐热陶瓷涂层的研究

根据梯度材料的设计思想,利用“梯度复合”的方法把梯度涂层的制备特点和复合材料的优异性能相结合,倡导了一种新的材料复合思想,开拓了广大材料工作者的思路,为人类寻找在高温、大温度梯度等极其苛刻的环境下正常工作的材料提供了重要途径。通过在粘结底层和表面陶瓷层之间添加过渡层,使成分和组织由基体呈梯度平缓地过渡到涂层表面,减少基体和涂层的成分差距,使涂层的组织和物化性能也呈连续的过渡,避免基体到涂层的组织性能突变,缓解了界面处的应力集中,改善了涂层界面的结合情况,可大幅度提高涂层的性能。

2　复合多层梯度耐热陶瓷涂层的研究

根据工作环境和服役条件,对于金属基体耐热陶瓷涂层的基本要求是:1)耐高温;2)抗高温氧化;3)与金属基体结合牢固;4)热导率低,绝热性好;5)热膨胀系数与金属基体匹配良好,耐热循环次数高[2]。要获得具上述优良性能的金属基体陶瓷涂层,则需从以下几方面进行深入研究。

2.1　涂层材料的合理选择

涂层材料的种类对其性能影响很大[3]。对于耐热陶瓷涂层材料来讲,要求其熔点高,热导率低,抗高温氧化性能和抗热震性能好等。目前主要采用的耐热涂层陶瓷材料为ZrO2,它的使用主要是由于其低的热传导率,高的热膨胀系数和良好的抗热震性[4]。此外Al2O3作为耐热涂层材料也有了一定范围的应用,它具有稳定的物化性能,熔点高,硬度大,抗氧化性能好,来源充足,价格低廉。同时,粘结底层材料的选择也很重要。它是基体和涂层间的桥梁。目前普遍采用的是自熔性合金粉Ni/Al,因其具有优异的自粘结性能,可以与基体形成部分冶金结合,致密性好,可提高陶瓷涂层与基体的结合强度。

2.2　确定合理的喷涂工艺参数

从粘结底层到过渡层到表面陶瓷层,由于涂层材料不同,要获得理想的喷涂组织,就需确定合理的喷涂工艺参数。喷涂功率过小,难以使涂层材料熔化或熔融,有大量生粉存在;喷涂功率过大,又易使基体和涂层过热,造成变形和氧化。具体来讲,粘结底层熔点较低,对其喷涂功率宜适当减小,喷枪和待喷涂部件的距离宜适当增大;对于陶瓷层,由于陶瓷材料熔点高,则需适当加大喷涂功率,缩短枪距;而过渡层由金属和陶瓷组成,其喷涂工艺参数就宜介于粘结底层和陶瓷层之间。根据本课题组具体实践,喷涂材料、喷涂功率和枪距之间关系如表1所示:表1　等离子喷涂工艺参数

T ab.1　T he t echnolog ical pa rameter o f

pla sma spr ay coat ing

喷涂材料粘结底层中间过渡层陶瓷层

喷涂功率(kW)22～2626～3030～32枪距(m m)110～120100～11090～100

2.3　设计合理的成分梯度

根据梯度材料的设计思想,梯度涂层的设计应是成分梯度越小越好。从基体到涂层的成分梯度越小,则组织和性能的过渡越平缓,界面间物化性能相差越小,利于涂层界面强度的提高。而喷涂材料的整体强度主要决定于界面的结合强度。因而小的成分梯度利于涂层性能提高。但成分梯度越小,基体到涂层的过渡层越多,首先会造成涂层总体厚度太大,使涂层脆性增加,易于开裂和剥落。其次会造成太多次数的喷涂,使制备工序繁杂,生产周期长,效率降低。因而,合理的成分梯度应既保证材料的组织和性能的良好过渡,又需尽量简化喷涂工序。对于耐热陶瓷涂层来讲,高温抗氧化性能和高温抗热震性是均需具备的性能。对于高温抗氧化性能来讲,涂层成分梯度较小,总体厚度较大,有利于抑制通孔的形成,从而防止外界氧透过通孔从涂层进入基体造成氧化。但涂层的孔隙率太小,又会减弱孔隙的应力松驰效应,使工件受冷热温差作用时造成的热应力和组织应力难以松驰,就会使涂层开裂甚至剥落,不利于抗热震性的提高。二者在对涂层的组织要求上有相互

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矛盾之处,这就需根据具体工作环境确定合理的涂层梯度结构,做到既有较高的孔隙率可以松驰应力,又有较低的通孔率抑制氧化。

3　梯度耐热陶瓷涂层发展的新方向

梯度涂层虽然可以通过增加过渡层增加界面结合强度,减小应力,但多层梯度涂层的制备工序比较复杂,提高成本,且由于梯度涂层的形成也是通过配置不同成分配比的金属陶瓷混合粉喷涂而得,所以涂层层间仍存在一定程度的成分突变,并未真正达到“梯度”的要求。如果把“梯度复合”思想进一步展开,利用涂层中的化学反应制备工序简单又具有良好过渡的涂层,是梯度耐热陶瓷涂层发展的新方向。

在高温条件下涂层中元素与环境中元素可相互扩散,涂层中元素和底材中元素相互扩散以及扩散过程中伴随的化学反应,往往使涂层结构和组成发生变化,或由于金属底材表面的严重氧化降低涂层在底材上的附着力,最终导致涂层失效[5]。因而高温下增强抗氧化性的途径主要有:

1)涂层或涂层中的某成分能优先生成致密的氧化物膜;

2)涂层或涂层中的某组分在高温下形成的氧化膜在限定使用温度范围内稳定,不再进一步氧化生成可挥发的气态物质;

3)高温条件下,涂层中元素对底材为化学惰性的或扩散进入底材后不降低后者力学性能;

4)合理选择配方使涂层结构致密均匀。

非均质材料热膨胀行为极其复杂,热膨胀使材料内部产生复杂的应力,反过来这些复杂的应力分布又约束和抑制进一步的热膨胀,并有可能使涂层发生一定变形和开裂。所以选择合适的金属和陶瓷材料,尽可能降低热膨胀系数的差异,并使之形成有益的氧化物过渡层,发生有利的相变或化学反应[6、7],是提高高温抗氧化性的关键。

根据这一需要,通过选择合适的粘结底层材料,利用高温下涂层内的反应,使粘结底层和陶瓷层之间形成组织和性能介于二者之间的反应形成中间过渡层,从而形成基体-粘结底层-反应形成中间过渡层-表面陶瓷工作层的梯度涂层。由于该过渡层是通过涂层内元素与外界元素反应得到,从涂层向基体反应愈来愈弱,所以可达到从涂层到基体均匀而缓慢的过渡,真正达到涂层间无明显界面的要求,此种涂层的研制具有十分重要的理论价值和实际生产意义。但反应形成梯度涂层的问题在于反应生成相与涂层内各相的界面结合尚需加强,由于反应生成相与涂层内各相结合较弱,因而易造成相间剥落,导致涂层的高温氧化。这就需选择合适的粘结底层材料,确定合理的喷涂工艺和增加涂层后处理工艺,增强涂层内各相的界面结合。

总而言之,反应形成梯度耐热陶瓷涂层的开发是具有开拓性意义的。

参考文献:

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[2]　邓世均.热喷涂高性能陶瓷涂层[J].材料保护.1999,

32(1):31-34.

[3]　李应有.涂层材料设计初探.表面技术[J].1997,26

(4):24-27.

[4]　易茂中,冉丽萍.不同封闭处理ZrO2热障涂层抗热震

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(下转第7页)

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　第1期 徐雪霞等　等离子喷涂梯度耐热陶瓷涂层的研究展望

switch (pcr s ->CW RS .Client AX )//判断中断时A X

寄存器的值{case 0:

pcr s->CW RS.Client A X =1;//如是0,则将A X 改为1。break;defa ult :

ret ur n FA L SE;//没有处理,传给下一个处理者。}

ret ur n T RU E ;//处理完闭,返回被中断程序。

}

这个例程实现了INT 89H 中断的挂接。将程序编译后,再用VTo olsD 软件包中的Vx DLoad 工具载入Vx dProg.VxD,则当在Win95的DOS 框中执行MOV AX,0INT 89H 时,将返回AX =1,而此时中断向量表

INT 89H 的处理程序为0∶0,没有处理程序。

6　结束语

在Windo w s9x 操作系统下,当需要对系统的资源进行高权限的低层操作,而一般编程又解决不了问题时,开发者完全可以利用系统提供的VxD 技术,开发编制自己的VxD 作为访问控制代理,实现特殊的控制功能。参考文献:

[1]　杨振约,谢　瑞.Win dows 95下虚拟驱动程序的开发

[J ].电子技术,1999(4):34-36.

[2]　熊桂喜.Window s 95技术内幕[M ].北京,清华大学出

版社,1996.

[3]　杨　强,李堂秋.Win9x 虚拟设备驱动程序编程指南

[M ].北京,清华大学出版社,1999.

Development Design of V irtual Device Driver

LI Xiang -jiang ,ZHOU Jian-jun

(Depart ment of Computer Eng ineering,

Changsha Communications U niver sity ,Changsha Hunan 410076,China)

Abstract :T his paper analyses t he v ir tua l machine o f w indow s 9x ,the file str uctur es and message pro cess of V xD .

T he development to ols o f V xD are int ro duced and the V xD pr og ram is also pr esent ed.

Key words :Vx D ;dev elo pment too ls;dev elo pment desig n

(上接第3页)

Study of the T hermal Resistance Ceramic Coating on Plasma Spray Gradient Coatings

XU Xue-x ia 1

,YAN Dian-r an

2

(1.Depart ment of physics ,Hebei N or mal U niver sity ,Shijiazhua ng Hebei 050016,China ;2.Dean's Off ice ,Hebei U niv ersit y of T echno lo gy ,T ianjin 300130,China )

Abstract :So me of the investig ation r esults of ther mal resista nce g radient cer amic coatings ar e discussed.T he

achievements w it h reg ard to the ex isted pro blems ar e studied.A lso the developing tr end o f ther mal-resista nce gr adient ceramic co ating s is put fo rw ar d in t his paper .

Key words :thermal r esist ance cer amic coating ;gr adient co ating ;plasma spr ay coat ing

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　第1期 李湘江等　虚拟设备驱动程序的开发设计