8YSZ团聚粉体压溃强度及其对PS-PVD沉积行为的影响研究.docxVIP

? ? 8YSZ团聚粉体压溃强度及其对PS-PVD沉积行为的影响研究 ? ? 张雨生，由晓明，何箐 （1. 中国农业机械化科学研究院集团有限公司, 北京 100083；2. 北京金轮坤天特种机械有限公司, 北京 100083） 0 引言 现代航空发动机和工业燃气轮机向高推重比、高热效率的方向持续发展[1]，意味着发动机的热端部件需要耐受更高的燃气温度，以推重比为10的航空发动机为例，涡轮前温度高达1950 K，通过气膜孔冷却技术可降低叶片表面温度约500 K[2]，然而这也超过了先进单晶高温合金的最高使用温度，因此必须在叶片表面制备热障涂层用来提高发动机涡轮叶片的使用温度[3]。 等离子物理气相沉积(Plasma Spray-Physical Vapor Deposition, PS-PVD)是必威体育精装版的热障涂层技术[4-6]，它兼具传统大气等离子喷涂(Atmosphere Plasma Spraying, APS)和电子束物理气相沉积(Electron Beam-Physical Vapor Deposition, EBPVD)制备技术的优点，除具有非视线沉积的绕镀性外，与EB-PVD 相比，效率更高且制备的涂层具有低热导率、长寿命且成本适中的优点，因此PS-PVD 技术已成为目前热障涂层领域最具前景的研究方向之一[7-10]。PS-PVD 技术对粉体的要求较高，颗粒粒径较大气等离子喷涂所使用的粉体显著降低(D50 由30～70 μm 降低至约8～15 μm)，粉体在高温高速的超低压等离子射流中，制备的热障涂层要求具有柱状晶/类柱状晶/准柱状结构，因而需要粉体能快速被气化且以高比例气相为主复合沉积。为了实现粉体在等离子射流高温区达到快速蒸发[11,12]，粉体的粒径、物理特性、微结构特征、压溃强度等特性对热障涂层的沉积行为有至关重要的影响，其中，粉体压溃强度是指粉体颗粒抵抗外力作用下存在发生压溃的极限载荷，可以用于表征粉体在高速射流中剪切力作用溃散效果。 Antonyuk[13]等测试了单个球形颗粒所承受的压力，并描述了颗粒的变形和破碎情况，研究了不同弹性和塑性的材料球形颗粒的变形破碎机理。Yoshida[14]等使用一个微米尺度与被测颗粒大小相当的平坦压头，避免了压板和载物基材的直接接触，成功的测量了单个亚微米颗粒的压溃强度。Hiramatsu 和Oka[15]对不规则的物体在集中载荷的作用下的应力进行了理论分析和实验分析。Chivavibul[16]等采用三种不同的纳米粉并通过不同的烧结方式制备了不同压溃强度的粉体，结果发现随着粉体压溃强度的增加，热喷涂WC-Co 涂层的沉积速率明显增加，同时涂层孔隙率有了明显的提升。目前对粉体压溃强度的研究主要集中在测定热喷涂粉体压溃强度及其对工艺适配性影响，对PS-PVD 用的小粒径团聚粉体的压溃强度及其相关规律的研究较少。本文系统开展了PS-PVD粉体压溃强度测试方法研究，进一步评价了PSPVD 粉体的压溃强度，并结合不同特性粉体的沉积行为进行了分析，深入探究了粉体特性对压溃强度及沉积行为的影响规律。 1 试验 1.1 压溃强度测试分析 压溃强度、剪切强度是对团聚体强度最重要的表征[17]，压溃强度概念来源于粉末冶金领域，是指通过施加径向力而测定的未烧结的或烧结的环形试样（制品）的破裂强度。对于球形团聚粉体或团聚烧结粉体而言，其压溃强度表征了团聚球形粉体整体的溃散强度，其测试过程如图1(a)所示，单个颗粒被放置于两个平行的板（压锤和载物台）之间，通过施加一个缓慢增加的作用力P，直到粉体颗粒失效破碎。 此时粉体颗粒的压溃强度通过如下公式(1)进行计算[18]： 其中，a=2.48，Cs为压溃强度，P为测试压力，d为粉体的直径。 本文通过微小压缩试验机（MCT-210，日本岛津）进行压溃强度的测定。微小压缩试验机可以通过实时测定压锤与粉体接触过程中施加的力和压锤行进的位移，形成压力-位移曲线，按式(1)计算压溃强度，典型测试过程和曲线如图1 所示。本次实验中涵盖每种粉体的整个粒径范围，以5 μm 为一个粒度区间，保证每个粒径区间有效数据大于等于5 个，每种粉体压溃强度有效数据20～30 个，最终结果取算术平均值。 图1 粉体的压溃强度测试及载荷-位移曲线示意图：(a) 压溃强度测试示意图；(b)典型的载荷-位移曲线[18]Fig.1 Crushed strength test of powder and schematic diagram of load-displacement curve:(a) schematic diagram of the crushing strength test; (b) typical load-displacement curve[18] 1.2