大气与悬浮等离子喷涂Gd2Zr2O7/YSZ热障涂层的力学性能与耐磨性

《Journal of Materials Research and Technology》：Mechanical Properties and Wear Resistance of Gd 2Zr 2O 7/YSZ Thermal Barrier Coatings Deposited by Atmospheric and Suspension Plasma Spraying

　　

采用大气等离子喷涂（APS）与悬浮等离子喷涂（SPS）制备双层Gd₂Zr₂O₇（GZ）/氧化钇稳定氧化锆（YSZ）热障涂层（TBCs），以研究微观结构设计对力学性能与磨损行为的影响。APS沉积TBC的扫描电子显微镜（SEM）表征显示典型的层状微观结构，孔隙率相对较低，但存在与未熔化区、微裂纹及层间缺陷相关的显著微观结构不均匀性。相比之下，SPS涂层呈现细晶柱状微观结构，孔隙分布均匀。这些差异强烈影响变形响应与摩擦学行为。在抛光横截面上进行的纳米压痕测试表明，APS涂层中GZ层（14 ± 3 GPa；177 ± 34 GPa）与YSZ层（14 ± 3 GPa；182 ± 36 GPa）的硬度与杨氏模量几乎相同，其特征为相对较高的标准差。相反，SPS沉积层呈现相反趋势，力学性能值的离散度较低，且GZ层（11 ± 2 GPa；155 ± 18 GPa）的硬度与刚度高于YSZ层（9 ± 2 GPa；128 ± 17 GPa）。采用球-盘配置在往复滑动条件下以ZrO₂对偶体评估磨损行为。在2 N载荷下，APS涂层表现出较低的磨损率（(4.5 ± 0.3) × 10^-4 mm³/Nm），而SPS涂层的磨损率极高（(19.8 ± 1.6) × 10^-4 mm³/Nm）。在较高载荷（5 N）下，APS与SPS沉积TBC的比磨损率分别为(6.6 ± 0.6) × 10^-4 mm³/Nm与(8.5 ± 1.1) × 10^-4 mm³/Nm。APS涂层的主要磨损机制涉及脆性断裂、层间开裂与扁平粒子拔出，导致材料随载荷增加而渐进损失。SPS涂层表现出从低载荷下由表面微碎裂与磨屑堆积引起的不稳定接触条件向较高载荷下更稳定磨损状态的转变。该转变与磨屑渐进压实、孔隙塌缩及机械固结层的形成相关。

热障涂层（TBCs）是广泛应用于燃气轮机与航空发动机的多层陶瓷系统，其核心功能层陶瓷面层承担主要隔热屏障作用。传统8 wt.%氧化钇稳定氧化锆（YSZ）面层在超过1200 °C时发生相变与加速烧结，导致耐久性下降，因此需要开发高相稳定性、低热导率的新型替代材料。稀土锆酸盐（Re₂Zr₂O₇）中，锆酸钆（Gd₂Zr₂O₇，GZ）因在高温下无伴随体积变化的相变而备受关注，但单层GZ易与氧化铝基热生长氧化物（TGO）反应形成多孔GdAlO₃钙钛矿层，降低抗氧化性，故研究者转向以YSZ为中间层、GZ为外层的双层GZ/YSZ体系。然而现有文献多局限于单一沉积方法或涂层结构，缺乏对常规大气等离子喷涂（APS）与新型悬浮等离子喷涂（SPS）所制GZ基TBC力学性能与磨损行为的系统对比，尤其涉及GZ基TBC磨损机制的信息匮乏。基于此，研究人员开展本研究，以揭示沉积工艺及由此产生的层状与柱状微观结构对双层GZ/YSZ TBC力学与摩擦学性能的影响，为理解不同工艺TBC的微观结构演化与退化机制、延长服役寿命提供依据。

研究人员以镍基HASTELLOY^? X圆盘为基体，经Al₂O₃喷砂粗化后，采用APS沉积商用NiCoCrAlY+HfSi粘结层，随后分别以APS和SPS沉积GZ/YSZ双层陶瓷面层，系统比较两种工艺所制TBC的微观结构、力学性能与磨损行为。研究得出：APS层状涂层因材料本征韧性与高缺陷密度之间的补偿平衡而呈现GZ与YSZ硬度、模量近乎相同但离散度大的特征；SPS柱状涂层因微观结构均匀、孔隙分布均匀而力学性能离散度低，且GZ层硬度与刚度高于YSZ层；磨损行为呈载荷依赖性，低载荷（2 N）下APS涂层比磨损率最低，SPS涂层因表面微碎裂与磨屑堆积导致接触不稳定而磨损率极高，高载荷（5 N）下SPS涂层通过磨屑压实、孔隙塌缩与机械固结层形成而趋于稳定，但比磨损率下降并非绝对磨损体积减少。研究意义在于揭示了TBC耐磨性不能仅由材料本征性质预测，而取决于微观结构设计与载荷条件之间的载荷依赖性关系，为通过沉积工艺调控微观结构以优化GZ基TBC力学性能与耐磨性提供了依据。

关键技术方法：以镍基HASTELLOY^? X圆盘（直径25 mm、厚7 mm）为基体，APS沉积NiCoCrAlY+HfSi粘结层；分别采用APS（100HE^?系统）与SPS（Axial III^?系统配NanoFeed^? 350悬浮液供给器）沉积GZ/YSZ双层陶瓷面层，SPS采用商用乙醇基悬浮液；以SEM表征表面与横截面形貌并用ImageJ测定厚度与孔隙率，共聚焦显微镜测定表面粗糙度（Sa）；以配备Berkovich金刚石压头的Agilent G200纳米压痕仪在抛光横截面上以连续刚度测量（CSM）模式测定硬度与杨氏模量（Oliver–Pharr法，Poisson比0.25，每层40个压痕）；以Bruker UMT-3在球-盘配置下按ASTM G133-22标准进行往复滑动磨损测试（载荷2 N与5 N、行程5 mm、平均滑动速度0.1 m/s、总滑动距离500 m、ZrO₂对偶球直径6.35 mm），共聚焦显微镜量化磨痕体积并计算比磨损率，双因素方差分析（ANOVA）结合Tukey多重比较进行统计，SEM与能谱分析（EDXS）表征磨痕与对偶体以解析磨损机制。

结果部分：（1）喷涂态TBC微观结构评估：通过SEM表面与横截面表征及ImageJ图像分析得出，APS涂层呈典型层状扁平粒子堆叠结构，含未熔化/部分熔化颗粒、微裂纹与层间孔隙，总厚度约441 ± 20 μm，总孔隙率约13%；SPS涂层呈细晶柱状结构，含垂直柱间隙，总厚度约362 ± 20 μm，总孔隙率约19%，SPS表面粗糙度Sa（14.4 μm）高于APS（12.4 μm）；两种工艺中GZ层孔隙率均比YSZ层低约5–7%。（2）力学性能：通过纳米压痕载荷-位移曲线、硬度与模量-深度曲线及压痕形貌SEM得出，APS沉积GZ与YSZ层硬度均为14 ± 3 GPa、杨氏模量分别为177 ± 34 GPa与182 ± 36 GPa，二者近乎相同但离散度大，归因于微观结构缺陷的非均匀分布及GZ较低缺陷密度对其较低断裂韧性的补偿；SPS沉积层呈相反趋势且离散度低，GZ层硬度11 ± 2 GPa、模量155 ± 18 GPa，高于YSZ层的9 ± 2 GPa与128 ± 17 GPa，归因于YSZ层柱内孔隙率较高；压痕形貌显示APS涂层呈裂纹主导的脆性响应（GZ层可见径向裂纹），SPS涂层呈孔隙压实主导的变形响应。（3）耐磨性：通过共聚焦显微镜三维磨痕形貌与轮廓、摩擦系数（COF）曲线及统计学分析得出，2 N下APS涂层磨痕均匀、比磨损率低（(4.5 ± 0.3) × 10^-4 mm³/Nm），5 N下磨痕加深加宽至穿透GZ顶层暴露YSZ中间层，比磨损率升至(6.6 ± 0.6) × 10^-4 mm³/Nm，绝对磨损体积显著增加；SPS涂层2 N下磨痕高度不均匀，于往复换向位置形成两个深坑并由较浅中央桥连接，比磨损率极高（(19.8 ± 1.6) × 10^-4 mm³/Nm）且COF波动剧烈，5 N下形成单一较规则椭圆磨痕、接触更连续稳定，比磨损率降至(8.5 ± 1.1) × 10^-4 mm³/Nm，但绝对磨损体积与2 N相当；双因素ANOVA显示涂层类型与载荷对磨损体积、比磨损率及COF存在显著交互作用；2 N下APS的磨损体积与比磨损率显著低于SPS，5 N下二者无显著差异。通过磨痕SEM与EDXS分析得出，APS涂层以脆性断裂、层间开裂、扁平粒子拔出及磨屑压实层形成后的第三体磨料磨损为主的混合磨损机制，5 N下GZ顶层中心完全磨穿、YSZ层暴露；SPS涂层2 N下以柱顶表面微碎裂与磨屑生成为主，5 N下以磨屑渐进压实、孔隙塌缩与机械固结层形成为特征，磨损机制向第三体磨料磨损与磨屑容纳为主的更稳定状态转变；对偶体ZrO₂球表面随机划痕表明接触区硬质磨屑引起第三体磨料磨损，并可能伴随Zr向磨痕转移。

讨论部分总结：研究人员将本研究力学性能数据与文献中等离子喷涂YSZ及GZ基TBC的报道值进行对比，指出本研究GZ基TBC的硬度与杨氏模量显著高于部分已报道值；结合文献指出YSZ基及类似陶瓷体系的磨损行为强烈受沉积所致微观结构影响，致密APS涂层硬度高、磨损率低，多孔弱结合扁平粒子促进层间开裂与拔出，而SPS涂层因细结构、内聚性改善与缺陷尺寸减小而抑制大规模分层与拔出、摩擦行为更稳定；本研究进一步表明两种GZ/YSZ结构的摩擦学性能均呈载荷依赖性，随载荷增加磨损行为与主导机制发生明显变化，故TBC耐磨性不能仅由本征材料性质预测，而由微观结构设计与载荷条件之间的载荷依赖性关系决定。研究结论译述：本研究系统比较了APS与SPS沉积双层GZ/YSZ热障涂层的力学性能与磨损行为，突出了微观结构设计与孔隙率含量的作用，主要结论为：APS沉积的层状GZ与YSZ层因本征材料韧性与高缺陷密度之间的补偿平衡而呈现近乎相同的硬度与杨氏模量，但微观结构不均匀导致标准差较大；SPS工艺获得细晶柱状微观结构，总孔隙率高但缺陷数量少，其GZ与YSZ层硬度与杨氏模量均低于APS，但微观结构更均匀、孔隙分布均匀使力学性能离散度更低；APS与SPS涂层的磨损行为均为涉及脆性断裂、层间开裂、扁平粒子拔出与局部磨屑压实等多种机制组合的混合磨损状态，各机制相对贡献取决于涂层结构与所加载荷；较低载荷（2 N）下APS沉积涂层摩擦学性能更优，比磨损率最低，其磨损机制为微碎裂、扁平粒子拔出与局部磨屑层形成后第三体磨料磨损的组合；SPS沉积涂层在较高载荷（5 N）下相比2 N表现出更稳定的磨损行为，磨痕空间分布更均匀、摩擦响应变异性更低；与APS涂层相比，SPS涂层的柱状结构能够有效容纳与捕获磨屑并在较高载荷下局部致密化，表明主导磨损机制发生转变，但SPS涂层比磨损率随载荷增加而下降并未伴随绝对磨损体积的减少；本研究强调了通过沉积技术裁剪微观结构以优化先进GZ基TBC系统力学性能与耐磨性的重要性。