8YSZ_Y_3Al_5O...层的等温氧化及光谱响应特性_何玲.pdf

：光敏复合热障涂层的等温氧化及光谱响应特性何 玲，蒲兵兵，李文生，孙卫民，（兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室，甘肃 兰州；兰州理工大学材料科学与工程学院，甘肃 兰州）摘 要 为了监测热障涂层在氧化过程中陶瓷层内部的残余热应力，制备了：含量不同的：光敏复合热障涂层。研究了：不同含量下 ：光敏复合热障涂层等温氧化过程的失效机理，阐述了陶瓷层内部残余热应力与：的发射光谱的峰值波长之间的内在响应机制；同时研究了 ：光敏复合热障涂层陶瓷层发射光谱峰值波长偏移量与氧化时间的关系，并拟合了：光敏复合热障涂层等温氧化时间与光谱变化的传感方程。结果表明：等温氧化 过程中 ：光敏复合热障涂层失效主要是陶瓷层内部残余热应力导致，且随氧化时间的增加，陶瓷层内部残余热应力增加，：的发射光谱的峰值波长向短波方向偏移；：光敏复合热障涂层发射光谱峰值波长偏移量与氧化时间传感方程为：。因此，可以通过发射光谱峰值波长的偏移规律表征氧化过程中陶瓷层内部的残余热应力。关键词 热障涂层；：；等温氧化；残余热应力中图分类号 文献标识码 ：文章编号（）：，（，；，）：，：，：，：，：，：，：，：；：；收稿日期 基金项目 沈阳国家重点实验室与省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室联合基金（）；甘肃省重点研发项目（）资助 通信作者 何 玲（），博士，教授，研究方向为功能复合涂层、稀土功能材料，电话：，：前 言热障涂层已被广泛应用于航空发动机热端部件上，其优异的隔热性和化学稳定性有效地提高了航空发动机的使用效率，。通常，热障涂层主要由金属粘结层与面层陶瓷层组成。在高温氧化条件下，热障涂层各层之间的热膨胀不匹配及热生长氧化层生长将会引起热障涂层体系中陶瓷层内部产生复杂的残余热应力，使得陶瓷层内部产生微裂纹，最终扩展至表面引起陶瓷层脱落失效。因此，对热障涂层中的高温氧化行为的研究及陶瓷层内部残余热应力的检测具有重要意义。在现有的残余热应力测量方法中，射线衍射技术和微拉曼光谱法，空间分辨率高，但穿透深度很浅，只能测量陶瓷层表面的残余热应力。中子衍射探测分析技术的探测深度较深，空间分辨率高，但工作环境要求严格，成本昂贵。荧光光谱法测量残余热应力具有操作简单、成本比较低、荧光谱线丰富、重复性好等许多优点，是一种测量残余热应力非常好的方法。近年来钇铝石榴石（）因其优异的高温相稳定性、良好隔氧性及高的抗烧结性等优点成为很有潜力的新型热障涂层陶瓷层材料，同时优异的光学性能可作为在激光和发光领域广泛使用的基质材料，稀土 激活的 荧光陶瓷材料因其发光性能好、高温化学性能稳定等特点被应用于金属表面涂层领域。因此，本工作采用等离子喷涂技术制备 ：光敏复合热障涂层，研究了 ：光敏复合热障涂层对热生长氧化物（）生长过程的抑制作用；同时研究了：光敏复合热障涂层发射光谱峰值波长的偏移量与氧化时间的关系，实现了在高温氧化条件下对热障涂层中陶瓷层内部残余热应力监测，为热障涂层等温氧化过程陶瓷层产生的残余热应力测定提供了潜在的应用途径。试 验基体选用 耐高温不锈钢，试样尺寸为 。粘结层选用 粉末，粒径为 。陶瓷层选用 粉末和商用：（），粒径分别为 和。喷涂前将原料粉末在 型三维混合仪中混合 ；将基体喷涂面打磨、清洗和喷砂粗化处理。使用 高能等离子喷涂设备制备 热障涂层和 ：光敏复合热障涂层（：掺杂质量分数为、）试样，具体喷涂参数如下：电流 ，电压 ，气流量 ，气流量 ，距离 。其中粘结层厚度约为 ，陶瓷层厚度约为 。将制备好的 热障涂层和 ：光敏复合热障涂层试样放入箱式马弗炉进行 下的等温氧化试验，升温速率为 ，保温时间分别为，。在不同保温时间结束后随炉冷却至室温取出，为了减少试验误差，每组取 个平行试样。采用 型 射线衍射仪（）进行物相分析；采用 场发射扫描电子显微镜（）和附带 能谱观察微观组织形貌及微区成分；采用 荧光分光光度计测量：光敏复合热障涂层的发射光谱。结果与讨论 涂层的物相及微观组织图 为 热障涂层和 ：光敏复合热障涂层喷涂态 谱。由图可知，热障涂层主要由 相 和 相 组 成；添 加：后，复合热障涂层主要由 相、相以及 相组成，随着：含量的增加，复合热障涂层中 物相的衍射峰也持续 提 高。上 述 结 果 表 明 等 离 子 制 备 的：光敏复合热障涂层，掺杂的 保持良好的晶体结构，且与 之间没有产生新的化学反应，没有其他新相产生。图 热障涂层和 ：光敏复合热障涂层 谱 ：图 为 热障涂层和 ：光敏复合热障涂层的截面形貌。图 热障涂层和 ：光敏复合热障涂层的截面形貌 ：通过观察发现，热障涂层和 ：光敏复合热障涂层喷涂态微观结构存在少量的孔隙和微裂纹，随：含量的增加，孔隙和微裂纹减少，致密度提高。这主要是因为熔融状态下的：流动性好，沉积时均匀铺展对涂层的孔隙填充起到重要作用。添加：后，由于 与：存在着密度差异致使复合热障涂层出现浅灰色层与灰黑色层互相交替微观组织结构，浅灰色组织成分为，深灰色为：，其中：光敏复合热障涂层深灰色微区 点扫描分析结果见表。表 ：光敏复合热障涂层微区化学成分 ：元素 交替组织结构使复合热障涂层形成多层陶瓷层体系结构，：含量增加导致这种多层陶瓷层体系更加明显，在高温氧化条件下可能会使得陶瓷层内部产生更大的热失配应力，引起陶瓷层开裂失效。因此，添加少量的：可以获得交替结构不明显、微观组织更加致密的陶瓷层。如图 所示，当：含量为 时，陶瓷层没有出现明显的交替组织结构，同时陶瓷层的孔隙减少，致密度提高。涂层等温氧化行为与失效分析图 为 热障涂层和 ：光敏复合热障涂层 等温氧化过程的相对氧化增重曲线。图中可以看出，在 等温氧化 过程中 热障涂层和 ：光敏复合热障涂层相对氧化增重曲线呈抛物线增长。热障涂层、：含量为 和 的复合热障涂层 内快速氧化增重，后氧化增重速率减小；：含量为 的复合热障涂层 后氧化增重速率减小。分析认为，氧化增重主要是由于粘结层中金属元素被氧化生成。：氧扩散速率比 低（：，：），添加：后，使得：光敏复合热障涂层具有更好的阻氧性能，同时导致复合热障涂层的孔隙率降低，致密度提高，减缓了粘结层中金属元素的氧化速率。因此：含量的增加可以抑制氧气的扩散速率，减缓 的生长速率，表现出对 生长具有更好的抑制作用。图 热障涂层和 ：光敏复合热障涂层相对氧化增重曲线 ：图 图 为 热障涂层和 ：光敏复合热障涂层 等温氧化 后的微观截面形貌。从图，形貌中可以看出，等温氧化 后 热障涂层和：光敏复合热障涂层陶瓷层内部产生了横向与纵向裂纹，且随：含量的增加陶瓷层内部产生的裂纹更加严重。这是因为等温氧化过程中 的生长引起的残余热应力以及添加：后陶瓷层的多层交替结构热失配引起的残余热应力共同作用所致。由 局部放大（图，）可知，的厚度随：含量的增加而变小，这表明添加：抑制 生长，从而使得 的生长引起的残余热应力减小。如图，所示，当：含量为和时陶瓷层内部裂纹明显增多，且扩展连接；当：含量为 时陶瓷层裂纹减少。因此：掺杂量过多时（和），陶瓷层的交替结构导致热失配残余热应力增大，使得陶瓷层内部出现明显的裂纹，最终开裂失效；添加少量的：（）时，陶瓷层没有图 热障涂层 等温氧化 后的微观形貌 图 ：光敏复合热障涂层 等温氧化 后的微观截面形貌 ：图 ：光敏复合热障涂层 等温氧化 后的微观截面形貌 ：图 ：光敏复合热障涂层 等温氧化 后的微观截面形貌 ：出现明显的交替结构，使陶瓷层热失配引起的残余热应力减小。综上所述，：掺杂量为 时，使得 ：光敏复合热障涂层既可以更好地抑制 的生长，同时导致陶瓷层未出现明显的交替结构，从而减小了陶瓷层热失配引起的残余热应力。涂层的光谱特性图 为 ：光敏复合热障涂层等温氧化不同时间的发射光谱。由图 可以看出，：光敏复合热障涂层中的发光材料为 激活的，其发射光谱是电子由 能级向 能级跃迁引起的宽带发射，发射峰位置在 之图 ：光敏复合热障涂层发射光谱 ：间，属于黄色发光。在 等温氧化 的过程中，：发射光谱的荧光强度减弱，这是由于在高温下：受激发后发光中心离子 中晶格振动加剧，电子从 能级向 能级跃迁时弛豫增强，无辐射跃迁几率增大，发光效率降低，荧光强度下降，即发生了“热猝灭”现象。同时：发射光谱的峰值波长向短波方向偏移（蓝移），这主要是因为：的晶体结构受到陶瓷层内部残余热应力时发生了变化，引起 电子跃迁能级改变，即 能级向短波方向移动，从而导致发射光谱的峰值波长发生 蓝 移 现 象。因 此 陶 瓷 层 内 部 残 余 热 应 力 与：的发射光谱的峰值波长存在内在响应机制，陶瓷层内部残余热应力越大，：的发射光谱的峰值波长蓝移现象越明显。所以可以通过发射光谱的峰值波长的偏移量（）来监测中陶瓷层内部残余热应力。图 为：不同掺杂量 ：光敏复合热障涂层的发射光谱峰值波长相对偏移曲线。图 ：不同掺杂量的 ：光敏复合热障涂层的发射光谱峰值波长相对偏移曲线 ：图中可以看出，氧化 过程中 种：热障涂层的发射光谱峰值波长偏移量随氧化时间的延长而增加，且符合抛物线增长规律。同时在氧化 过程中，：光敏复合热障涂层的发射光谱峰值波长相对偏移量在不同的时间点随着：添加量的增加而增大。如图中：添加量的：光敏复合热障涂层发射光谱峰值波长偏移量在相同的时间均小于：添加量为 和 的：光敏复合热障涂层。根据图 分析得出陶瓷层内部的残余热应力越大，：光敏复合热障涂层的发射光谱峰值波长偏移量越大。因此在 氧化 过程中：光敏复合热障涂层内部产生的残余热应力最小。为了进一步研究陶瓷层：光敏复合热障涂层内部的残余热应力与发射光谱峰值波长相对偏移量之间的关系，对其发射光谱峰值波长相对偏移量与氧化时间的拟合分析。图 为：光敏复合热障涂层的发射光谱峰值波长相对偏移量与氧化时间的拟合曲线。由图 可以看出，等温氧化 过程中：光敏热障涂层的发射光谱峰值偏移量随氧化时间的延长而增加，且符合抛物线增长规律。所以，通过如下公式（）来拟合：（）式中，为发射光谱峰值偏移量，分别为常数，所得拟合方程为 ，拟合系数 。因此可以通过发射光谱峰值偏移量与氧化时间的传感方程来间接监测在 等温氧化 过程中：光敏复合热障涂层中陶瓷层内部的残余热应力。本工作将：的抗氧化及发光性能同时赋予：光敏复合热障涂层，可以有效监测高温氧化过程中陶瓷层的残余热应力，在预测热障涂层使用寿命等方面具有潜在应用价值。图 ：光敏复合热障涂层发射光谱峰值波长相对偏移曲线 ：结 论等离子喷涂制备 ：光敏复合热 障涂层时，与：沉积过程中形成了互相交替且致密的微观组织结构。交替组织结构使复合热障涂层形成多层陶瓷层体系结构，：含量增加导致这种多层陶瓷层体系更加明显，更好地抑制了 的生长，减小了 的生长引起的残余热应力。研究结果显示，：含量为 时陶瓷层没有出现明显的交替结构，陶瓷层热失配引起的残余热应力减小，即：含量为 时：光敏复合热障涂层表现出很好的抗高温氧化性能。：光敏复合热障涂层陶瓷层中：具有很好的荧光发光性能，且陶瓷层内部的残余热应力与发射光谱峰值波长的偏移量存在内在的响应机制，即陶瓷层内部残余热应力增加、发射光谱峰值波长向短波方向偏移。因此发射光谱峰值偏移量与氧化时间的传感方程可以实现在 等 温 氧 化 过 程 中：光敏复合热障涂层中陶瓷层内部的残余热应力的监测。参考文献 朱 晨，于建海，郭亚飞，等 航空发动机热障涂层存在的问题及其发展方向 表面技术，（）：，（）：刘 阳，蔡洪能，魏志远，等 等离子喷涂热障涂层内孔隙对其隔热性能的影响 材料保护，（）：，（）：，（）：李帅，底月兰，王海斗，等 热障涂层 界面应力分布及裂纹扩展行为的研究进展表面技术，（）：，（）：张俊红，戴胡伟，王志平，等 形貌对热障涂层残余应力的影响 金属热处理，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：姜海丽，孙伟民，李晓林，等 基于掺铒光纤荧光寿命的应变响应 应用科技，（）：，（）：，（，），：付晓燕，房立钧，郑升辉，等 超声引起的：，薄膜的应力发光 发光学报，（）：，：，（）：郑升辉，刘亚楠，李月婵，等：，树脂应力发光薄膜在焊缝缺陷检测中的应用 发光学报