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强流脉冲电子束辐照ZrO_2陶瓷涂层表面改性

王存霞  
【摘要】:本文首先采用低气压等离子体喷涂的方法在定向凝固DZ4镍基高温合金基体上制备约100μm厚的NiCrAlY粘结层,然后在粘结层上用电子束物理气相沉积的方法沉积约110μm厚的6%-8%Y2O3部分稳定的ZrO2陶瓷顶层,最后选择不同能量密度和脉冲宽度的强流脉冲电子束对所制备的陶瓷顶层进行辐照处理。希望通过强流脉冲电子束的辐照处理实现ZrO2陶瓷层的封顶,从而提高其耐氧化性能,根据实验结果优化电子束辐照处理参数。 实验结果表明: 利用强流脉冲电子束辐照热障涂层ZrO2陶瓷层能够实现柱状晶的封顶,从而提高其耐氧化性能。当电子束的能量密度大于8J/cm2时,陶瓷层表面完全重熔,在其表面形成厚度为几个微米的重熔层,随着能量密度的增加重熔层的厚度增大,当能量密度大于20J/cm2时,由于烧蚀蒸发重熔层厚度减小。当能量密度达到20J/cm2时涂层表面的微观裂纹增加。随着能量密度的增加涂层t'相中四方相增加,立方相减少,涂层中没有单斜相的结构。1000℃下的循环氧化和静态氧化实验显示,能量密度为8.15J/cm2的电子束辐照的涂层TGO厚度比未辐照的涂层的TGO明显减少,可见重熔层达到几个微米就能够提高涂层的耐氧化性能。 对于能量密度皆为15 J/cm2、不同脉冲宽度的电子束辐照后重熔层的厚度约为2~4μm,脉冲宽度为80-120μs时重熔层厚度约4μm左右。经脉冲电子束处理后涂层t'相中的四方相含量均增加,涂层中没有单斜相的结构,晶粒尺寸有减小的趋势。1050℃下500次的循环氧化实验显示,脉宽为80μs和120μs的电子束辐照过的涂层TGO厚度由未辐照的涂层的3μm减少到约2μm,其耐氧化性能提高明显。能量密度为12J/cm2,脉宽为120μs电子束辐照的涂层热扩散系数低于未辐照的涂层,表现出良好的隔热性能。 根据耐氧化性能的提高程度,对于ZrO2陶瓷优化的电子束辐照处理工艺参数如下:能量密度选择大于8J/cm2,而小于20 J/cm2;脉冲宽度选择大于80μs,而小于200μs。


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