一種顯化氧化鋯基熱障涂層晶粒形態的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及渦輪發動機及大型燃氣輪機中熱障涂層內部晶粒形態的顯化方法。
【背景技術】
[0002]等離子噴涂二氧化鋯基陶瓷熱障涂層已廣泛用于燃氣渦輪發動機的熱端部件，有效地降低了基體的受熱溫度。例如，配合葉片氣膜冷卻技術，在渦輪發動機葉片表面制備100-500 μ m厚度的二氧化鋯熱障涂層，可以使Ni/Co基高溫合金基體的表面溫度下降100-300°C，從而顯著地提高了航空發動機的熱效率、工作穩定性及綜合性能。等離子噴涂涂層是由一系列的熔融粒子(熔滴)撞擊基體后，經過橫向流動、鋪展、急速冷卻、凝固形成攤片，隨后攤片相互交疊、堆垛形成涂層。因此，熔滴鋪展凝固形成的攤片及攤片內部的晶粒組成是其最基本的結構單元。攤片內部晶粒形態、尺寸及攤片之間界面結合狀態，是影響熱障涂層系統綜合性能的關鍵因素。然而，涂層微觀結構內部扁平凝固后的晶粒形態及片層間界面結合缺少有效地顯化表征手段，這將影響熱障涂層微觀結構形成機理的研宄。
[0003]目前，透射電子顯微鏡技術可以對噴涂融滴凝固后的晶粒形態，尺寸，晶體結構與擇優生長方向進行表征，但由于涂層樣品制備過程煩鎖，且只能表征涂層的微區，因此存在很大的局限性。相比之下，裝配在掃描電子顯微鏡上的電子背散射衍射(EBSD)分析技術也可以得到涂層內部晶體尺寸及形狀，晶界，亞晶及晶體取向等信息，但缺點在于樣品制備過程中引入的應力會影響測量結果。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于提供一種通過熱蝕法來顯化等離子噴涂氧化鋯基熱障涂層微觀組織結構(晶粒形態)的技術，可最大程度地揭示涂層樣品內部多個熔滴扁平凝固后的結晶形態，具有實現過程簡單，重復性好的特點。
[0005]為達到以上目的，本發明采取如下技術方案予以實現:
[0006]一種顯化氧化鋯基熱障涂層晶粒形態的方法，其特征在于，包括下述步驟:
[0007](I)采用亞微米級YSZ粉體原料，用等離子噴涂法在鋁合金基板上，形成2mm厚的氧化鋯基熱障涂層；
[0008](2)剝離鋁合金基體，將殘留在熱障涂層上的金屬去除；然后將熱障涂層分割成不大于1X 1mm2的涂層試片；將其中一表面磨平并拋光，清洗后形成表面光滑無痕的涂層表面樣品；
[0009](3)將涂層表面樣品于1250°C，保溫300min進行熱刻蝕；
[0010](4)對熱刻蝕后的涂層表面樣品進行掃描電子顯微鏡觀察，并通過圖像法對涂層表面晶粒進行測量及統計；
[0011](5)將步驟(2)中涂層試片切割截面，將該截面磨平并拋光，清洗后形成涂層截面樣品，同樣于1250°C，保溫300min進行熱刻蝕；
[0012](6)對熱刻蝕后的涂層截面樣品進行掃描電子顯微鏡觀察。
[0013]上述方法中，所述的涂層表面樣品制備是采用熱熔膠將涂層試片均勻分散的粘在一圓形磨盤上，將磨盤朝下置于自動研磨機上，將涂層試片表面磨平，隨后用拋光液將試片表面拋光，最后將拋光好的涂層試片從磨盤上取下，用超聲波清洗器將拋光好的涂層試片在丙酮及酒精中各清洗30min。
[0014]步驟(4)所述圖像法對涂層表面晶粒進行測量及統計，其中所述圖像法是指取10幅放大倍數為I X 14,分辨率為600dpi的SEM掃描照片來計算晶粒尺寸并統計晶粒度分布。所述晶粒度分布采用11個晶粒尺寸段:〈100nm，100_200nm，200_300nm，......，>1000nm，
得出晶粒在每個區段所占的百分數。
[0015]本發明的優點是，根據氧化鋯基陶瓷涂層經過磨拋光處理的表面在一定溫度下保溫一段時間，由于表面能各處不同，晶界處原子具有更高的活性，更易被“腐蝕”，這樣晶粒與晶界會再次顯現出來的熱蝕原理，通過調整熱蝕溫度及保溫時間以便真實的顯化其顯微結構，揭示涂層樣品內部多個熔滴扁平凝固后的結晶形態，測量并統計涂層內部晶粒尺寸及分布，得出等離子噴涂YSZ涂層在極快的冷卻速率(108-109K/s)下的凝固結晶形態及尺寸分布范圍。這一結果不僅對不同噴涂方法沉積不同級別的陶瓷涂層微觀結構內部晶粒形態及尺寸的表征有著重要的借鑒意義，而且對理解等離子噴涂制備YSZ熱障涂層的形成機理及結構設計具有重要的理論價值。
【附圖說明】
[0016]以下結合附圖及【具體實施方式】對本發明作進一步的詳細說明。
[0017]圖1為本發明涂層試樣表面在不同溫度保溫5小時的熱蝕SEM照片。其中，(a) 8000C ； (b) IlOO0C ；(c) 1250°C ； (d) 1350°C ο
[0018]圖2為為本發明涂層試樣表面在1250°C的不同保溫時間的熱蝕SEM照片。其中，(a) 30min ； (b) 60min ； (c) 90min ； (d) 180min。
[0019]圖3為本發明優選實施例涂層試樣表面晶粒狀態統計圖。其中，(a)晶粒分布；(b)粒度分布。
[0020]圖4為本發明對比SEM照片。其中，(a)未熱蝕涂層試樣截面；(b) 1250°C保溫5小時熱蝕涂層試樣截面。
【具體實施方式】
[0021]一種顯化氧化鋯基熱障涂層內部晶粒形態的方法，包括下述步驟:
[0022](I)采用亞微米級YSZ粉體原料，通過等離子噴涂系統噴涂在鋁合金基板上，形成2mm厚的氧化鋯基熱障涂層；
[0023](2)通過線切割工藝剝離鋁合金基體，將殘留在熱障涂層上的金屬用砂紙打磨去除；然后將熱障涂層用玻璃刀分割成尺寸約為1mmX 1mm的10塊涂層試片并編號涂I?涂10 ;接著采用熱熔膠(熔點為60-70°C，如石蠟)將其中涂I?涂8的涂層試片均勻分散的粘在一圓形磨盤上，將磨盤朝下置于自動研磨機上，將涂層試片表面磨平，隨后用拋光液將試片表面拋光，最后將拋光好的涂層試片從磨盤上取下，用超聲波清洗器將拋光好的涂層試片在丙酮及酒精中各清洗30min，形成涂層表面樣品。
[0024](3)將步驟⑵中制備好的8個涂層表面樣品取4個(涂I?涂4)分別放入4個剛玉坩禍內，置于箱式馬弗爐中分別以不同溫度800°C (涂1)、1100°C (涂2)、1250°C (涂
3)、1350°C (涂4)對涂層表面進行熱刻蝕，保溫均為5小時，然后通過SEM進行顯微結構觀察，參考圖1，從圖1(c)、(d)可看出，在1250°C、1350°C熱蝕溫度條件下，顯化效果均不錯，但1350°C因溫度較高容易導致晶粒長大，故實際選取1250°C作為優選熱蝕溫度。
[0025](4)再將步驟(2)中制備好的8個涂層表面樣品取4個(涂5?涂8)依然按照以上熱蝕方法在1250°C條件下，分別以不同時間30min (涂5)、60min (涂6)、90min (涂7)、ISOmin(涂8)進行保溫，然后通過SEM進行顯微結構觀察，參考圖2，再與圖1 (c)對比，可見熱蝕時間300min最好；最終可確定最佳的熱蝕工藝為1250°C，保溫300min。
[0026]通過圖像法對優選實施例(涂3)熱蝕樣品進行晶粒尺寸測量，(圖像為放大倍數為I X 104，分辨率600dpi)，取10幅掃描照片來計算并統計涂層晶粒尺寸分布。劃分為
[<10nm], [100-200nm], [200-300nm]......[>1000nm] 11 個晶粒尺寸段，得出晶粒在每個區段所占的百分數。由圖3(a)可看出大部分晶粒分布于100-400nm之間，且在100_200nm區間所占百分數最大(32.9%)，結果參考圖(b)。這一結果實現了涂層內部晶粒的量化，從而有助于在微觀結構上理解并改善陶瓷基熱障涂層的熱-機械性能。
[0027]將剩余涂層試片“涂9”、“涂10”采用與前述涂層表面樣品類似的方法制作涂層的截面(垂直于表面)樣品，其中“涂9”按照步驟(3)的最佳熱蝕工藝(1250°C，保溫300min)對其截面進行熱蝕。熱蝕后的“涂9”試樣與未熱蝕的“涂10”試樣進行顯微結構對比，結果參考圖4，從圖4(b)可清楚看出“涂9”試樣層狀結構中的多個柱狀晶，層間結合較好，逆著熱流方向生長，取向較一致。證實了熱蝕工藝的有益效果。
【主權項】
1.一種顯化氧化鋯基熱障涂層晶粒形態的方法，其特征在于，包括下述步驟: (1)采用亞微米級YSZ粉體原料，用等離子噴涂法在鋁合金基板上，形成2mm厚的氧化鋯基熱障涂層； (2)剝離鋁合金基體，將殘留在熱障涂層上的金屬去除；然后將熱障涂層分割成不大于1X 1mm2的涂層試片；將其中一表面磨平并拋光，清洗后形成表面光滑無痕的涂層表面樣品； (3)將涂層表面樣品于1250°C，保溫300min進行熱刻蝕； (4)對熱刻蝕后的涂層表面樣品進行掃描電子顯微鏡觀察，并通過圖像法對涂層表面晶粒進行測量及統計； (5)將步驟(2)中涂層試片切割截面，將該截面磨平并拋光，清洗后形成涂層截面樣品，同樣于1250°C，保溫300min進行熱刻蝕； (6)對熱刻蝕后的涂層截面樣品進行掃描電子顯微鏡觀察。
2.如權利要求1所述的顯化氧化鋯基熱障涂層晶粒形態的方法，其特征在于，所述的涂層表面樣品制備是采用熱熔膠將涂層試片均勻分散的粘在一圓形磨盤上，將磨盤朝下置于自動研磨機上，將涂層試片表面磨平，隨后用拋光液將試片表面拋光，最后將拋光好的涂層試片從磨盤上取下，用超聲波清洗器將拋光好的涂層試片在丙酮及酒精中各清洗30min。
3.如權利要求1所述的顯化氧化鋯基熱障涂層晶粒形態的方法，其特征在于，步驟(4)所述圖像法對涂層表面晶粒進行測量及統計，其中所述圖像法是指取10幅放大倍數為I X 14,分辨率為600dpi的SEM掃描照片來計算晶粒尺寸并統計晶粒度分布。
4.如權利要求3所述的顯化氧化鋯基熱障涂層晶粒形態的方法，其特征在于，所述晶粒度分布采用11個晶粒尺寸段:〈100nm，100_200nm，200_300nm，......，>1000nm，得出晶粒在每個區段所占的百分數。
【專利摘要】本發明公開了一種顯化氧化鋯基熱障涂層晶粒形態的方法，通過對等離子噴涂涂層的拋光面以不同溫度及保溫時間進行熱蝕顯化實驗，最大程度地揭示了熔滴扁平凝固后的結晶形態。利用掃描電子顯微鏡，確定出顯化涂層內部晶粒形貌、晶粒尺寸、晶界等信息的最佳熱蝕工藝，并借助圖像法定量表征等離子噴涂YSZ涂層在極快的冷卻速率下的凝固結晶形態及尺寸分布范圍。這一方法不僅對不同噴涂方法沉積不同級別陶瓷涂層微觀結構內部晶粒形態及尺寸的表征具有重要的借鑒意義，而且對理解等離子噴涂制備高性能熱障涂層的形成機理及結構設計具有重要的理論價值。
【IPC分類】G01Q30-20, C23C4-10, C23C4-12, G01Q30-02
【公開號】CN104808016
【申請號】CN201510161679
【發明人】白宇, 王玉, 劉琨, 亢永霞, 宋小龍, 張利華, 強永明
【申請人】西安交通大學
【公開日】2015年7月29日
【申請日】2015年4月7日