维普资讯 http://www.cqvip.com 第２卷第２期 鸡西大学学报 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＪⅨＩ ＵＮＩＶＥＲＳ兀Ｙ Ｖ０１．２ Ｎｏ．２ ２Ｏ０２年６月 Ｊｕｎ．２ＯＯ２ 复合连接层等离子喷涂热障涂层的 静态氧化性能研究 张继红 摘要：采用等离子喷涂（ＰＳ）方法，在ＧＨ５３６高温合金基材上制备了传统的双层热障涂层（ ｒＢｃｓ）和添加 复合连接层热障涂层。传统ＴＢ 结构为Ｎｉ２２Ｃｒ１０Ａ１Ｙ合金连接层和８ ．％Ｙ２ｑ部分稳定的Ｚ （８ｖｓｚ）陶瓷顶层；双层连接层为Ｎｉ２２Ｃｒ１０Ａ１Ｙ及Ｎｉ２２Ｃｒｌ０Ａ１Ｙ＋ ２Ｏ３复合层。试样的１００小时、１０５００Ｃ及１０５０ 静态氧化试验结果表明：采用复合连接层的ＴＢＣｓ氧化阻力提高；１０５００Ｃ时复合连接层的阻氧能力降低。 关键词：等离子喷涂；热障涂层；静态氧化试验，复合连接层 中图分类号：ＴＱ６３９．２ 文献标识码：Ａ 入Ａｌ２ ０３形成复合连接层，连接层的静态氧化阻力提高。 本文以等离子喷涂方法制备了包含Ａ１ｚ ０３的复合连接层的热 障涂层与传统典型的双层热障涂层相比较，研究连接层成分及结 构改变对高温氧化性能的影响。 ２．试验条件及方法 ２．１试样制备 １．前言 热障涂层（ＴＢＣｓ：Ｔｈｅｒｍａｌ＂ｂ￣ｔｌ＇ｒｉｅｒ ｃｏａｔｉｎｇｓ）在航空燃气涡轮发动 机领域的实际应用已从燃烧室发展到静子和转子叶片上ｌｌｌ２』。热 障涂层的抗高温氧化性能是衡量涂层持久寿命的主要指标。对于 典型应用的热障涂层，其氧化阻力由高温服役时在陶瓷顶层（Ｔｃ： ｔｏｐ ｃｏａｔ）和合金连接层（ＢＣ：Ｂｏｎｄ ｃｏａｔ）界面产生的热增长氧化膜 （ＴＧＯ：ｑｈｅｎｎａｌ ｇｒｏｗｎ ｏｘｉｄｅ）决定。由陶瓷层向内扩散的氧同由连接 层外向扩散的铝在ＴＣ／ＢＣ界面相互反应生成的ｎ—Ａ１２ ０３，构成 １ｕ）。连续、敛密的ｎ—Ａｌ２ 具有良好的氧化阻力，但随着ＴＣ，Ｏ 厚度的增加，ＴＧＯ引起的氧化应力也不断增大，在热循环条件下 ＴＧＯ应力成为陶瓷层在 ＩＧＯ与 ｒｃ界面剥落的主要原因之一１］１。 改善热障涂层抗氧化性能是涂层成分及结构设计的主要依据 之一。以物理或化学沉积方法枉连接层表面预制一层较薄（小于 ５ｔｔｍ）的ｎ一 ２ ０３膜层作为氧障层可以提高氧化阻力，但对热震性 能有一定不良影响ｌＪ－６］。Ｗｕ的研究表明ｌ７ Ｊ：在ＮｉＣｒＡＩＹ连接层加 本试验采用等离子喷涂设备为ＭＥ￣ＦＣＯ公司的７Ｍ等离子喷 涂系统，试验基材为厚度６ｍｍ的ＧＨ５３６高温合金。加工成４０ｍｍ ×２０ｍｍ×６ｍｍｑ、ｌＩＣｓ全包覆的氧化试样，喷砂处理后，连接层（ＢＣ） 采用氩气保护等离子喷涂，然后大气等离子喷涂陶瓷顶层（ｒｒＣ）。 连接层粉末为镍基合金粉术（７相，Ｎｉ２２Ｃｒｌ０Ａ１１Ｙ，粒度５ｏ～ ７５ｐ．ｍ），陶瓷层顶层为８ｗｔ．％Ｙ２ｏ３的部分稳定ｚｒ 陶瓷粉未８ＹＳＺ （ｔ栩大于８５％，其他为ｍ相，粒度４５～７０ｔｕｎ），复合连接层添加 ２０ｗｔ．％Ａ１，ｏ３粉末（ｎ相，粒度５０～７５ｒａｎ）。复合粉末采用机械球 磨方式混合。等离子喷涂工艺参数见表１。涂层设计型式如表２。 表１等离子喷涂工艺参数 Ｔａｂｌｅ １ Ｐｌａｓｍａ￣ｒａｙｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ２．２氧化试验 电子探针，用于涂层相结构分析、表面形貌及组织结构分析。 ３．试验结果及讨论 氧化试验采用采用硅一碳棒热处理炉。试验条件为：分别在 １０００￣Ｃ、１０５０￣Ｃ炉内空气下保温１００小时，在２ｏ、４ＪＤ、６ｏ、８０、１００小时 出炉测定试样的氧化增重，以获得静态氧化动力学曲线。 ２．３主要仪器设备 日本理学Ｄ／ｍａｘ—ＲＡ转靶式ｘ射线衍射仪、光学显微镜、ＪＳＭ 一３．１氧化试验动力学曲线 ｌＯＯ小时静态氧化试验后，试样表面没有出现剥落现象。 ｌＯＯＯ￣Ｃ、１０５０￣Ｃ的氧化动力曲线如图１所示。 ６３０１Ｆ型场发射扫描电镜及ＥＤＸ能谱仪、日本岛津ＥＰＭ一８１ＯＱ 作者简介：张继红，沈阳市机械工业学校，辽宁。邮编：１１００２４ ・４８・ 维普资讯 http://www.cqvip.com 第２期 张继红：复合连接层等离子喷涂热障涂层的静态氧化 ２００２年 ５ ０ Ｓ ０ Ｌ 三Ｓ ５ ０ （１ ２（１ ４（Ｊ ６（１ ８Ｏ ｌ（）（１ ０ ２《１ ４０ ６０ ｌ（１ｆｌ Ｔｉｍｅ／ｈｏｕｒ Ｔｉｍｅ／ｈｏｕｒ 图１ 涂层的氧化动力学曲线（ａ）１０００￣Ｃ；（ｂ）１０５０￣Ｃ Ｆｉｇ．１．Ｏｘｉａｄａｔｉｎ ｋｉｎｅｔｉｃｓ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ｔｗｏ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ｒＢＣｓ ａｔ（ａｊ １０００￣Ｃ；（ｂ】１０５０￣Ｃ 试验结果表明：１０００￣Ｃ及１０５０￣Ｃ下，Ｎ２Ｚ的氧化增重均低于 Ｎ１Ｚ，但１０５０￣Ｃ时Ｎ２Ｚ试样的氧化增重降低幅度低于１０００￣Ｃ时，说 明１０５０￣Ｃ时，复合连接层的阻氧效果下降。 两种试样在１０５０￣Ｃ时的氧化增重均高于各自在１０００￣Ｃ下的氧 化增重。氧化动力曲线如图２所示。 图２ １０００￣Ｃ、１０５０￣Ｃ下的氧化动力学啦线（ａ）Ｎ１Ｚ；（ｂ）Ｎ２Ｚ Ｆｉｇ．２．Ｏｘｉａｄａｔｉｎ ｋｉｏｎｅｔｉｃｓ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆｔｗｏ ｔｙｐｅｓ ｏｆＴＢＣｓ ａｔ １０００￣Ｃ ａｎｄ １０５０￣Ｃ（ａ）ＮＩＺ；（ｂ）Ｂ２Ｚ ３．２氧化机理分理 图３为喷涂态的Ｎ２Ｚ试样横截面结构，图３（ａ）为Ｎ２Ｚ的ＴＢＣｓ 整体结构，图３（ｂ）为双层连接层与陶瓷层界面结构，图３（ｃ）为图３ （ｂ）的Ａｌ元素分布面扫描图。 ； （ －－１—＿．＿＿．’●■ ．■． 墅 图３ Ｎ２Ｚ试样截面结构及元素面扫描像 （ａ）ＴＢＣ横截面整体结构；（ｂ）复合连接层与８ＹＳＺ界面；（Ｃ）（ｂ）的Ａ】元素面扫描像 Ｆｉｇ．３．ＳＥＭ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ ａｎｄ ＥＰＭＡ ｉｎｍｇｅｓ Ｏｉｌ ｔｈｅ ｃｒｏ￣ｓ—ｓｅｃｔｉｏｎ ｖｉｅｗ ０ｆ ｔｈｅ Ｎ２Ｚ （ａ）ＳＥＭ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ ｏｆ ＴＢＣｓ；（ｂ）ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｃｏｎｔｘ￣ｉｔｅ ＢＣ ａｎｄ ＴＣ；（ｃ）Ａｌ ｍａｐｐｉｎｇ ｏｆ（ｂ） （Ｃ）中白色结构说明在复合连接层中存在Ａｌ Ｏ３富集带，Ｗｕ 的研究表明ｌ ：均匀分布在ＮｉＣｒＭＹ中的Ａｌ２ ｏ３有助于Ａｌ的外扩 在１０５０￣Ｃ时的氧化增重均明显高于各自在１０００￣Ｃ下的氧化增重。 散，阻止Ｎｉ、ｃｒ的外扩散，易于形成界面ＴＧＯ，从而提高氧化阻力。 但是，本试验说明近界面存在Ａｌ：ｏ３线性富集，即使在喷涂状态 ＴＧＯ尚未形成条件下，就有阻碍氧的内扩散作用，因此使采复合连 接层的试样氧化阻力提高。 典型氧化动力学曲线遵从Ｗａｇｎｅｒ氧化理论 Ｊ：ｘ２＝ｋｐｔ＋ｃ其 中：Ｘ为氧化膜厚度；ｔ为时间；ｋ 为与氧化膜自由能、自扩散系数、 说明了氧化温度增高，氧化增重增加。 １０５０￣Ｃ时，复合连接层的阻氧效果下降。说明１００小时氧化 后，ＴＧＯ的逐渐增长致密并起到阻氧作用，使富集Ａｌ２ｏ３的阻氧作 用降低；并且温度升高，ＴＧＯ形成越快，使得富集Ａｌ２ｏ３阻氧作用 进一步相对降低。１０５０￣Ｃ附近副集Ａｌ２ ｏ３阻氧作用需要进一步研 究。 缺陷氧分压及温度有关的抛物线速度常数；Ｃ为积分常数。试样 ・４９・ 维普资讯 http://www.cqvip.com 第２期 ４．结论 鸡西大学学报 ２００２丘 ２．Ｃｏｗａｒｄ Ｇ Ｗ．Ｓｕｒｆ．Ｃｏａｔ．Ｔｅｃｈ．［Ｊ］，１９９８；１０８—１ｏ９：７３ ３． ｔ Ｌ，Ａｌｐｅｒｉｎｅ Ｓ，Ｍｅｖｒｅｌ Ｒ．Ｊ Ｍａｔｅｒ．Ｓｃｉ．【Ｊｊ，１９９２；２７：５ ４．Ｓｕｎ Ｊ Ｈ，Ｃｈａｎｇ Ｅ，Ｃｈａｏ Ｃ Ｈ，ＣｈｅｎｇＭ．Ｊ．Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ．Ｍｅｔａｌｓ．１Ｊ Ｊ， １９９３：４０：４６５ １）采用的ＴＢＣｓ高温抗氧化性能优于一般应用的典型双层 ＴＢＣｓ。 （２）ＮｉＣｒＡ１Ｙ＋＾Ｊ２ ０３复合连接层阻氧效果优于单层连接层的 原因在于复合连接层中存在富集Ａｌ２ ０３。 （３）采用复合连接层在１０５０￣Ｃ时，ＴＢＣｓ氧化增重同典型试样 相近，其原因在于氧化过程中ＴＧＯ的形成及其阻氧效果增加，降 低了富集 阻氧作用所占的相对比例。 参考文献 ５．Ｗｕ Ｂ Ｃ，Ｃｈａｏ Ｃ Ｈ，Ｃｈａｎｇ Ｅ，Ｃｈａｎｇ Ｔ Ｃ．Ｍａｔｅｒ．Ｓｃｉ．Ｅｎｇ．［Ｊ］， １９９Ｏ：Ａ１２４：２１５ ６．Ｌｅｕｓｈａｒｋ Ｕ，Ｓｅｈｕｌｚ Ｕ，Ｐｅｔｅｒｓ Ｍ，Ｋａｙｓｓｅｒ Ｗ Ａ，Ｒ０ｂｉｎ Ｂ Ｈ．Ｓｕｒｆ． Ｃｏａｔ．Ｔｅｅｈ【Ｊｊ，１９９７；９４—９５：１３１ ７．Ｗｕ Ｙ Ｎ，ＺｈａｎｇＧ，Ｈａｎｇ，Ｙ，ＦｅｎｇＺ Ｃ．Ｓｕｒｆ．Ｃｏａｔ．Ｔｅｃｈ［Ｊ］，２００１； １３８：５６～６０ １．Ｚｈｕ Ｄ Ｍ，Ｍｉｌｌｅｒ Ｒ Ａ．ＭＲＳ ＢｕＵｅｆｉｎ［Ｊｊ，２０００；１：４３ ８．朱日彰等。高温腐蚀及耐高温腐蚀材料［Ｍ］，上海科学技 术出版社；１９９５：１ｏ９～ｌ１５ Ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ Ｐｌａｓｍａ Ｓｐｒａｙｅｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｂａｒｒｉｅｒ Ｃｏａｔｉｎｇｓ ｗｉｔｈ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｂｏｎｄ Ｃｏａｔ Ｚｈａｎｇ Ｊｉｈｏｎｇ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｗｏ ｔｙｐｅ ｏｆ ｐｌａｓｍａ ｓｐｒａｙｅｄ（ＰＳ）ｔｈｅｒｍａｌ ｂａｒｒｉｅｒ ｃｏａｔｉｉｎｇｓ（ＴＢＣｓ）ｏｎ ＧＨ５３６ ｓｕｐｅｒａｌｌｏｙ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ ｗｉｔｈ ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｌａｙｅｒ ｏｆ Ｎｉ２２Ｃｒ１０Ａ１Ｙ，Ｚｒ０２—８ｗｔ ｅｔｐ Ｙ２ Ｏ３（８ＹＰＳＺ），ａｎｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｌａｙｅｒ ｏｆ Ｎｉ２２Ｃｒ１０Ａ１Ｙ ｗｅｒｅ ｐｒｅｐａｒｅｄ． ｈｅ ｓｔＴａｔｉｃ ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｔｅｓｔ ａｔ １０００ｃＣ ａｎｄ １０５０ｃＣ ｗｅｒｅ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ｔｏ ｅｖａｌｕａｔｅ ｔｈｅ ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｋｉｎｅｔｉｃｅ ｏｆ ｔｈｅ １１３Ｃｓ．Ｉｔ ｉｓ ｉｎｄｉｃａｔｄ ｔｅｈａｔ ｔｈｅ ｈｉｇｈｅｒ ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｉｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｏｆ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｎｉ２２Ｃｒ１０ＭＹ＋Ａｌ２ ０３ ｂｏｎｄ ｃｏａｔ，Ｔｈｅ ｂｅｔｔｅｒ ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ Ａ１２ Ｏ３ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｌａｙｅｒ ｉｓ ｄｕｅ ｔｏ ｌｉｎｅａｌｌｙ ｒｉｃｈ ｏｆ Ａ１２ Ｏ３ ｉｎ Ｎｉ２２Ｃｒ１０Ａ１Ｙ ｂｏｎｄ ｃｏａｔ． Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ：ｔｈｅｒｍａｌ ｂａｒｒｉｅｒ ｃｏａｔｉｎｇｓ；ｐｌａｓｍａ ｓｐｒａｙｉｎｇ；ｓｔａｔｉｃ ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｔｅｓｔ；ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｌａｙｅｒ． Ｃｌａｓｓ Ｎｕｍｂｅｒ：ＴＱ ６３９．２ Ｄｏｃｕｍｅｎｔ Ｍａｒｋ：Ａ （上接４６页） 低压线圈匝数、铁芯各柱和轭等值长度、铁芯矽钢片直流励磁曲线 均已知。一般ＣＫ》ｃｏ Ｒｌ》Ｋ２ Ｉｏ＞＞ＣＯＲｌＲ２ 则由（１）、（２）推出可得到： 却＝ —ＬｏＣ（１一￣Ｔｏ）Ｔｏ：ＳＡＢ （４）式中 Ｉ＋ Ｒ；一Ｒ２ＣｏＬｏ／Ｒ ８＝ｌ／２ＲｌＣＫ 三方面的因素： ａ、该电抗器的加入不影响变压器试品操作冲击电压波形的调 节，为了达到这一要求应使Ｌ≥（５—１０）Ｉｏ； ｂ、该电抗器与变压器等效电容在操作波形作用时不应发生谐 振； ｃ、该电抗器应耐受变压器操作冲击波的作用，当电抗器装在 变压器低压侧时，它的操作冲击绝缘水平应与变压器低压线圈相 同。 ４结论 ｗ、ｓ一高压线圈匝数、铁芯截面积 由式（４），把Ｋ、Ｕｏ、Ｗ、８、Ｓ等代入，当确定所需波形后，即可计 算得ＡＢ。由此得到初始磁通密度： Ｂ０＝Ｂｓ一△Ｂ （５） 据磁路基尔霍夫定律 ｛∑ ＝０∑ＨＫ１Ｋ＝∑ＷＩ Ｋ为磁路分支数｝ （６） 另据铁芯直流励曲线Ｂ＝ｇ（Ｈ），得： ｝∑ＢＫＳＫ＝０ ∑ｇ （Ｂｋ）１Ｋ＝∑ｗＩｊ （７） 现行大型电力变压器的操作冲击耐压试验，其铁芯初始磁化 状态基于反极性操作冲击法产生的剩磁。由于人为因素的影响使 得每次操作冲击产生的波形不尽一致。直流励磁法避免了传统方 法的缺陷，使得每次操作冲击作用时铁芯初始化磁化状态保持一 致。因此，该法具有操作省时、试验结果准确可靠的特点，适宜于 大型电力变压器的操作冲击耐压试验。 参考文献 ＜变压器试验＞北京机械工业出版社 解上述方程组即可求Ｉ。 ３．２电抗器电感参数的确定 根据该电抗器所处的位置和作用，确定其电感参数要考虑的 Ａ Ｌｉｔｔｌｅ Ｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ Ｓｕｒｇｅ Ｔｅｓｔ ｆ０ｒ Ｌｏｒｇｏ Ｐｏｗｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ Ｄｏｎｇ Ｓｈｕｗｅｉ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｎａｌｙｚｅｓ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｓｕｒｇｅ ｔｅｓｔ ｆｏｒ ｔｒａｎｓｆｏｒｒｎｅｒ ａｎｄ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ｔｈａｔ ｉｔ ｉｓ ｈｅｌｐｆｕｌ ｏ ｉｔｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ａｃｃｕｒａｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔ ｂｙ ｅｘｃｉｉｎｇ ｔｒａｎｓｆｔｏｒｒｎｅｒ ｗｉｔｈ ＤＣ ｓｕｐｐｌｙ ｉｎｓｔｅａｄ ｏｆ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｉｍｐｕｌｓｅ． Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ：ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ；ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｓｕｒｇｅ ｔｅｓｔ；ｄｉｒｅｃｔ—ｃｕｒｒｅｎｔ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ Ｃｌａｓｓ Ｎｕｍｂｅｒ：ＴＭ４１ Ｄｏｃｕｍｅｎｔ Ｍａｒｋ：Ａ ・５Ｏ・
