热喷涂TBCs涂层对高温合金组织结构影响的研究
【摘要】针对热喷涂前后高温合金基体材料金相组织变化，以及喷涂热障涂层(英文缩写: TBCs)后合金基体材料在瞬时高温下的组织结构变化开展研究。结果表明热喷涂TBCs涂层过程中,高温合金基体材料组织没有明显结构变化；在1300K温度下，10min后的高温合金组织会形成枝晶状并析出二次y相，而同等条件下，采用热喷涂TBCs涂层保护后的高温合金基体材料的组织没有发生明显的变化。
1．概述
热障涂层(简称TBCs)通常指在耐高温金属表面具有良好隔热效果的陶瓷涂层，它使基体材料免受高温氧化和腐蚀，并降低基体的工作温度。热障涂层技术任航空航天、发电、冶金、舰船和汽车制造等领域有着广泛的应用，早期的研究工作以美国的NASA为中心，研究成果主要应用于气冷发动机涡轮叶片的防热和防腐蚀及水冷式或燃料冷却式火箭发动机的外壁。20世纪60年代TBCs技术成功应用于X-15型火箭的喷嘴和燃气涡轮机燃烧室的金属薄片器件上。自1980年起，美国、日本、德国和英国等国家相继投巨资对TBCs技术开展系统研究，并成功应用于航空、发电等行业。目前，先进陶瓷热障涂层能够在工作环境下使合金工作温度降低150℃左右。
本文通过对不同条件下高温合金的组织结构SEM分析，判别热障涂层在瞬时高温下对基体材料的保护作用。
2．试验
本文采用DH-80等离子喷涂系统制备热障涂层，TBCs材料选用Metco204，喷涂参数见表1。基体材料选用铸造高温合金。
试验中采用涂层高温性能试验台对热障涂层的隔热性能进行测试。通过对高温合金在不同状态下的金相组织及SEM观察对比，判断高能等离子喷涂过程对基体的影响以及瞬时高温下热障涂层对高温合金基体组织结构的保护作用。
表2是试验方案。其中试样1为铸造高温合金原始组织标样，试样2为等离子喷涂200pμmTBCs涂层后的铸造高温合金，试样3为无热障涂层保护的铸造高温合金，试样4为有200pμmTBCs涂层的铸造高温合金。
3．结果分析
(1) 铸造高温合金的组织结构 铸造高温合金的组织比较粗大（如图1所示），基本上未等轴晶结构，有y+y′共晶体出现，同时有部分碳化物相分布在基体上；在y固体溶液上分布着y′弥散强化相，y′相为明显规则的方块相，在低倍下，可明显观察到菊花状的y+y′共晶体和黑色的碳化物相，如图2所示。
(2) 铸造合金过热后的组织变化图3是试样3在1300K温度下加热5min后的金相组织形貌。可见其组织由粗大的铸态组织转化为枝晶状组织，其枝干长，枝晶间距较大，在高倍下可以明显看到碳化物相的分布以及共晶组织的出现。
图4为SEM下形貌，可见强化相y′相发生了明显的固溶再结晶，方块相组织(如图2所示)由于固溶，开始变为不规则的形状，同时有部分二次叫y′相的析出，析出的二次y′相晶粒大小约为100mm，并伴有大量的细小的二次y′相析出，说明在1300K，加热5min的条件下，铸造高温合金组织发生了明显的变化，性能大大下降。
(3)热喷涂过程对铸造高温合金的影响图5、图6分别是等离子喷涂涂层后的基体组织金相与SEM形貌。可见，高温合金基体在等离子喷涂过程中其铸态组织没有发生明显的变化，仍然是粗大的铸态等轴晶结构，同时其上分布着白色的y+ y′共晶体和碳化物相。
在高倍的SEM观察下，其组织也没有明显变化，仍然是强化相y′分布在y固溶体上，强化相仍然是方块状结构。同时也有黑色的碳化物相和菊花状的共晶组织出现。
(4) 瞬时高温条件下热障涂层对铸造高温合金的保护作用样品4在1300K温度下加热10min后的金相组织形貌如图7所示。可见瞬时高温后同样出现了枝晶状组织，但是其枝干短而粗，同时枝晶间距较短，这与样品3中出现的枝晶组织有很大的区别，样品4枝晶分布密度大，这表明TBCs涂层对铸造高温合金基体有很强的保护作用。
图8是SEM观察下的形貌。可见大部分叫y′相仍然为方块相结构，而只有少量的强化相y′相发生固溶。
4．结语
(1)过热的铸造高温合金形成了枝晶；其强化相y′相的形状由块状变化为不规则形状，同时强化相间间距变大；析出的二次y′相晶粒尺寸约为100mm。
(2)喷涂TBCs涂层的过程对铸造高温合金的相结构没有明显的影响。
(3)喷涂TBCs涂层的高温铸造合金过热后，也有枝晶出现，但没有二次y′相的析出，这表明热喷涂TBCs涂层可以为铸造高温合金存瞬时高温下性能稳定发挥保护作用。
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