热障涂层顺序振动抛光：磨料设计与力控制以增强表面及微观结构完整性

《Powder Technology》：Sequential vibratory finishing of thermal barrier coatings: Media design and force control to enhance surface and microstructural integrity

　　

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  设计用于脆性涂层温和振动研磨的聚合物复合介质。
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  确定关键损伤载荷为3 N，以防止涂层分层。
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  预测模型通过接触力控制实现安全参数选择。
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  表面粗糙度降低>60%，无亚表面裂纹或分层。
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  集成介质与控制策略实现多层涂层加工。

引言

热障涂层（TBCs）作为一种可提供高温保护的防护涂层，在现代工业中发挥着至关重要的作用[1]、[2]。在航空航天领域，TBCs被广泛应用于涡轮叶片、燃烧室及其他高温部件上，有效降低高温对材料的损害，提高发动机的服役性能和使用寿命[3]。典型的热障涂层多为双层结构，包括用作面涂层（TC）的钇稳定氧化锆（YSZ），用于隔热功能，以及MCrAlYX（M为Ni或Co，X为Hf、Ta、Si等之一）金属用作结合层（BC），位于基体与TC之间的过渡区域[4]、[5]。在各种结合层沉积技术中，大气等离子喷涂（APS）由于其设备投资成本低，对复杂几何形状工件具有优异的适应性，是工业热障涂层生产中最广泛采用的方法[6]。相比之下，高速氧燃料（HVOF）喷涂和冷喷涂等替代技术虽然可以生产更致密的结合层，但其较高的成本和较低的沉积效率限制了其广泛应用[7]。然而，无论采用何种沉积方法，沉积态结合层表面不可避免地存在显著的不规则性，包括松散附着的半熔颗粒和高表面粗糙度，通常范围为Ra 5至11 μm [8]、[9]。即使是HVOF或冷喷涂，结合层表面粗糙度通常仍保持在Ra 5–9 μm [10]。通常通过电子束物理气相沉积（EB-PVD）沉积的面涂层也存在表面不规则性。柱状晶尖端的固有粗糙度以及松散附着晶体团的存在导致明显的微观表面起伏[11]、[12]。这些表面缺陷不仅降低了涡轮叶片的气动效率，而且在热循环载荷下还为裂纹萌生创造了有利位置[13]。因此，在热障涂层制备过程中，采用分阶段的后处理技术来改善结合层和面涂层的表面完整性至关重要。

作为一种自由研磨加工技术，振动研磨凭借其处理复杂几何形状的独特优势、能够进行批量加工以及实现稳定的表面质量而备受青睐[14]、[15]。在以往的研究和工程应用中，振动研磨主要面向金属材料表面，如通过车削、铸造或增材制造制备的钛合金、铝合金和高温合金表面[16]、[17]。本研究检测的热障涂层表面具有多孔结构以降低热导率，但这种结构也降低了硬度和断裂韧性[18]。值得注意的是，多层结构中不同材料在接触载荷下表现出不同的应变特性，导致界面处发生分层。传统振动研磨技术采用高密度、高模量的陶瓷或金属介质。这些介质对喷涂表面施加显著的接触力，导致局部剥落。

在振动研磨中，控制介质对工件施加的接触力对最终加工结果具有决定性影响[19]、[20]。这主要由介质的材料特性和振动参数决定。聚合物介质作为一种新型介质，具有冲击载荷低和可持续加工能力的优点[21]、[22]，使其成为实现喷涂表面振动研磨非破坏性加工的有前景的候选介质。Ernould等人[23]发现，虽然聚合物介质的材料去除效率低于陶瓷介质，但由于自锐化效应，在持续加工后可以获得更平坦的表面形貌。此外，通过调整聚合物介质的组成，可以轻松控制其以适应不同材料的待加工表面。Li等人[22]开发了一种基于聚氨酯的低弹性模量聚合物介质。通过控制介质组成来调节加工过程中介质的动力学行为，并确定了适用于铝合金轮毂加工的最佳介质参数。然而，目前仍缺乏关于聚合物介质用于喷涂表面加工可行性的系统研究以及聚合物介质配方的优化。

除了介质开发之外，许多学者还通过控制振动参数来改变介质的动态行为。Wang等人[24]研究了基于振动研磨的介质运动行为，表明增加幅度和频率可以增强介质簇的流化程度，从而提高对工件的接触力。Wong等人[25]采用改进的商业振动研磨碗对航空航天部件进行精密加工。频率范围从传统设备的15 Hz–50 Hz提高到75 Hz，显著提升了接触力，从而将加工效率提高了80%。Da Silva Maciel等人[26]比较了不同振动频率和填充水平对振动研磨机中接触力的影响，揭示接触力随频率显著增加，但随着介质填充水平增加而降低。然而，对于TBCs等脆性、低强度材料，过大的接触力可能导致界面裂纹甚至剥落。因此，为喷涂表面建立接触力阈值至关重要。通过控制工艺参数，确保加工过程中施加在这些表面的接触力始终低于该阈值，从而防止表面或内部损伤，这是本研究的核心焦点。

在本研究中，提出了一种针对热障涂层的低损伤顺序振动研磨策略。顺序加工过程包括首先对结合层进行振动研磨以创建平坦界面，然后沉积面涂层并对其进行振动研磨。为实现这一策略，首先开发并筛选了一种新型树脂基聚合物介质。通过调整磨料颗粒的质量比和增韧剂的浓度来优化其配方，以实现优异的力学性能。随后，进行单介质划痕测试以研究涂层内部的微损伤机理，确定界面分层的关键接触力阈值。然后，这些见解被应用于定义和验证无损伤加工过程。通过在振动研磨过程中集成实时力监测，建立了振动参数与接触力之间的定量关系，确保接触力始终低于预设的关键阈值。最后，通过加工实验验证了优化工艺参数的有效性。

章节摘要

聚合物介质的制备与表征

在本研究中，聚合物介质采用环氧树脂作为基体，200目碳化硅（SiC）颗粒作为磨料颗粒，593作为固化剂。为了增强通常在介质与工件频繁冲击下易产生微裂纹的脆性环氧基体的韧性[27]，引入了羧基端丁腈橡胶（CTBN）作为增韧剂。图1展示了聚合物介质的系统化制备过程。其

聚合物介质的性能

图5展示了不同介质的密度。介质的密度受质量比的显著影响。当质量比从25%增加到66.7%时，密度从1.22 g/cm³增加到1.58 g/cm³。这一现象归因于SiC磨料颗粒与液态树脂之间的密度差异。随着磨料颗粒百分比的增加，SiC磨料颗粒对复合材料密度的主导作用逐渐增强。当增韧剂

结论

在本研究中，通过协同设计一种新型聚合物介质并实施接触力控制策略，成功开发并验证了一种针对热障涂层的低损伤振动研磨工艺。主要结论如下：

• (1)
  通过将CTBN增韧剂和碳化硅磨料颗粒引入环氧树脂基体中，开发了一种新型聚合物基体。通过基于微观力学性能和自锐化磨损行为的系统筛选，

CRediT作者贡献声明

李浩：撰写——初稿、形式分析、数据管理。郝宇鹏：撰写——审阅与编辑、调查研究。杨盛强：撰写——审阅与编辑、验证、资源、资金获取、概念构思。李秀红：资金获取。李文辉：项目管理。杜佳然：验证、调查研究。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这些关系可能会影响本文所报告的工作。

致谢

作者衷心感谢国家自然科学基金（项目编号：52075362和52575523）的支持。

李浩|郝宇鹏|杨盛强|李秀红|李文辉|杜佳然