热障涂层(TBCs)主要以MCrAlY作为底涂层，Y2O3部分稳定的ZrO2涂层作为面涂层。TBC涂层对提高发动机的性能有很大作用，已经在发动机涡轮叶片上得到广泛应用。但是在高温条件下，由于TBC涂层的形貌、相结构的变化直接影响它的性能和使用寿命，因而关于TBC涂层高温热循环及其失效机理的研究受到广泛的关注。
本工作对TBC涂层进行热循环试验，对其形貌、相结构进行分析研究。力求对TBC涂层的成分、陶瓷层柱状结构的作用和相变机理以及失效有进一步的认识。
1 试验
1.1 材料
本试验中热障涂层所使用的基体材料是镍基高温耐热合金，在合金上先沉积一层NiCrAlY金属涂层，再在其上沉积ZrO2陶瓷涂层。金属涂层可以分二次涂敷，靠近基体金属的涂层铝含量稍低，平均铝含量为5.8wt%，远离基体部分铝含量稍高些，平均铝含量为8.7wt%。陶瓷涂层是含7wt%Y2O3部分稳定的ZrO2涂层，这一涂层是利用电子束物理气相沉积设备制取。
在制备陶瓷涂层前，对金属涂层进行了真空热处理和表面加工，以达到适合EB-PVD沉积陶瓷面层的要求，取得所需的陶瓷层结构和其它性能。
1.2 试验方法
热循环试验是实验室考核TBC涂层性能的重要方法，实际上也是一种热冲击试验，它是评价TBC涂层在使用环境条件下抗氧化腐蚀性能和结合力的手段。
本研究采用的热循环试验条件如下：将带有TBC涂层的工件或试样放入到1100℃条件的炉子中保温25min，然后取出吹压缩空气冷却5min，如此反复循环。当工件达到一定的循环次数后，进行观察分析，如金相、扫描电镜等，同时也通过X-衍射等方法对TBC涂层进行相结构的分析，研究TBC涂层在热循环试验前后的变化。
2 试验结果和讨论
2.1 涂层成分
TBC涂层目前一般都是使用金属涂层作为底涂层，陶瓷层作面涂层。MCrAlX是典型的TBC涂层底涂层，M通常为Ni、Co和Fe等元素，X通常为Y、Si、Hf、T和Re等元素；陶瓷层一般使用7wt%Y2O3部分稳定的ZrO2涂层。
EB-PVD制备的TBC涂层的底涂层成分分析结果列于表1，分析位置示于图1。
表1 TBC涂层底涂层成分(wt%)
Table 1 Composition of TBC bondcoat
图1 TBC底涂层成分的分析取样位置 SEM 1000×
Fig.1 Sampling location on TBC bondcoat SEM 1000×
表中点1、2是靠近陶瓷层的位置，点3、4是靠近基体金属的位置，点5是基体金属镍基高温耐热合金。从分析结果可知，点4处于金属和金属涂层互扩散区，其涂层含有与镍基合金相近的化学成分，这种涂层与基体金属间可以有着较好的结合。点1和点2含有较高的铝含量，铝对涂层的抗氧化有较大的贡献，且与陶瓷的结合比较有利。由此可以看出，这样的涂层结构能使基体金属、粘结涂层和陶瓷层之间有较好的匹配，对防止TBC涂层过早的老化是有利的。
金属涂层中足够的铝含量(一般在5%～7%之间)有助于抗氧化性能的提高［1］，如果铝含量低于5%就不能在NiCrAlY涂层表面生成连续的保护性的Al2O3膜，且合金的抗氧化性能低，这将导致涂层氧化速率提高，从而造成TBC涂层过早失效和陶瓷面层的脱落。
2.2 形貌
众所周知，EB-PVD制备的适用于涡轮叶片的TBC涂层中陶瓷涂层与金属涂层的结合在很大程度上取决于陶瓷涂层能否在金属涂层上生成柱状晶结构的陶瓷颗粒［2］。由图2可以看到，本工艺制备的TBC涂层，其Y2O3-ZrO2涂层结构正是所需要的柱状晶结构，NiCrAlY金属涂层经光饰处理后，表面比较致密，因而柱状晶的成长比较好。
图2 陶瓷层界面的柱状晶结构 金相 200×
Fig.2 Columnar grain structure on
the surface of ceramic layer metallograph 200×
热循环试验是判断TBC涂层结合力好坏的重要方法。本试验中工件在1100℃高温下TBC涂层经受了300次冷热循环，涂层表面虽然出现了微裂纹，但仍然没有脱落，说明该涂层具有良好的抗热循环性能。ZrO2陶瓷涂层的热膨胀系数为10×10-6℃-1，而NiCrAlY的热膨胀系数为13×10-6℃-1，可以看出它们的热膨胀系数是不匹配的，在冷热变化的过程中，会使涂层的结合力受到很大影响［3］。陶瓷的柱状晶结构由于存在着一定的间隙，在工件受热和冷却时，有足够的空间收缩扩展，可以消除体积效应和产生的应力，因而增加了TBC涂层的热循环次数，延长了工件的使用寿命。nextpage
图3表明了TBC涂层在300次循环氧化后工件的陶瓷层断面状况，可以看出涂层陶瓷面层出现了局部烧结。图4的断面结构也说明其柱状结构正逐渐消失，如继续进行热循环试验涂层的热应变容限会不断下降，致使表面出现裂纹，严重时TBC涂层会从表面剥落［4］
图3 热循环试验后TBC陶瓷层断面形貌 SEM1000×
Fig.3 Morphology of cross section on ceramic
layer after thermal cycling test SEM1000×
图4 热循环试验后TBC涂层的断面形貌 金相200×
Fig.4 Morphology of cross section on TBC coating
after thermal cycling test metallograph 200×
2.3 相结构分析
氧化锆(ZrO2)是一种耐高温的氧化物，其熔点为2680℃。一般认为ZrO2的晶型有三种：单斜(M)、四方(T)和立方(C)，在常温下稳定相是单斜型的，高温稳定相是立方型的。ZrO2各变相体的相变温度为：
单斜型转变为四方型的相变温度受杂质的影响，ZrO2的一般相变温度为1170～1200℃，而加入1mol%Y2O3后，相变温度会降到860℃，约降低310℃［5］。
ZrO2在晶型转变时具有明显的体积效应，由单斜型向四方型转变时体积收缩7%～9%，并吸收热量11.8kJ/mol，这种体积效应在加热和冷却过程中都会引起制品开裂，这就限制了它的应用。为了防止这种现象发生，在ZrO2中加入外来剂使生成立方型固溶体，据说CaO和Y2O3效果最好，特别是yittria有着高的热稳定性［6］。
本试验中，在99.9%的ZrO2中加入约7%的Y2O3，构成目前公认的和正在应用的最好的稳定剂，而6%～8%的Y2O3部分稳定的ZrO2涂层表现出了最佳的抗热剥落能力，同时也具有较好的综合性能，因此YSZ是目前应用最广泛的陶瓷涂层。图5表明，在热循环试验前，TBC涂层的表面为立方型和四方型晶体。 图5 陶瓷层原始态相结构 （XRD） 图6a表明了经过300次热循环试验后的陶瓷层表面的相结构分析，可以看到在陶瓷层的表面尚未出现M相结构，说明这时陶瓷层仍具有很好的热稳定性。 热循环试验后陶瓷层的内表面的相结构分析示于图6b，可以看出，由于元素的内扩散，在交界处的陶瓷层内表面实际形成了一个过渡带，这里ZrO2为立方相。但也有了NiCrO3之类的菱型晶体的成分，且NiO、CoO的含量也增多，这些物质一般比较疏松，因而会引起涂层抗氧化性能下降。使涂层界面处结合力降低。在更长期的高温条件下，陶瓷层ZrO2中的C相组分会变成T相，而T相组分会在冷却过程中进一步变成单斜相，因而丧失稳定ZrO2材料的优点，使涂层失效。 研究涂层长期在高温条件下及热循环条件下工作相结构的变化及其变化的原因，对于设计研制不同材料及工作环境下的新型TBC涂层很有意义。 图6 热循环试验后陶瓷层表面（a）和内表面（b）的相结构（XRD） 3 结论 （1）以MCrAlY作底涂层，Y2O3部分稳定的ZrO2作为面涂层的TBC涂层有较好的抗热循环氧化性能。 （2）在高温循环氧化试验中陶瓷涂层的柱状晶结构对提高TBC涂层与基体金属结合力起重要作用。 （3）利用Y2O3部分稳定ZrO2制备的YSZ涂层在300次热循环试验后，表面出现局部烧结和微裂纹，但仍为C相结构，没有出现容易引起体积效应的M相，有效地延缓了工件表面老化和开裂。
Fig.5 Phase structure on ceramic layer of TBC coating before test （XRD）
Fig.6 Phase structure on surface and inner surface of ceramic layer after thermal cycling test（XRD）
