熱(re)障涂層（Thermal Barrier Coatings, TBCs）能顯著降低渦輪(lun)合金葉(xie)片的(de)(de)(de)(de)表(biao)面溫(wen)度(du)、大幅度(du)延長葉(xie)片的(de)(de)(de)(de)工作壽命和提高發動(dong)(dong)機(ji)的(de)(de)(de)(de)推力和效(xiao)率[1],已廣(guang)泛應用(yong)于航空(kong)、航天發動(dong)(dong)機(ji)等(deng)領域。航空(kong)發動(dong)(dong)機(ji)渦輪(lun)葉(xie)片熱(re)障涂層的(de)(de)(de)(de)服役環(huan)境，包括高溫(wen)氧化(hua)、熱(re)腐蝕以及外(wai)來物沖(chong)擊(ji)等(deng)。這(zhe)些因素(su)，使熱(re)障涂層的(de)(de)(de)(de)失(shi)效(xiao)行為(wei)極(ji)為(wei)復雜(za)(za)。但是，現在對其失(shi)效(xiao)機(ji)理目前還沒有(you)全面的(de)(de)(de)(de)認識[2]。同時，由于航空(kong)發動(dong)(dong)機(ji)工作時從大氣中攝入灰塵、雜(za)(za)質等(deng)環(huan)境夾雜(za)(za)物，葉(xie)片受到攝入物質及燃(ran)燒室(shi)內反應生成的(de)(de)(de)(de)碳粒的(de)(de)(de)(de)高速撞(zhuang)擊(ji)。這(zhe)些因素(su)導致(zhi)的(de)(de)(de)(de)沖(chong)蝕失(shi)效(xiao)，也是熱(re)障涂層失(shi)效(xiao)的(de)(de)(de)(de)一(yi)個重(zhong)要原因[3, 4]。

熱(re)(re)障(zhang)(zhang)涂層(ceng)(ceng)的(de)抗(kang)沖(chong)蝕(shi)性能(neng)，與(yu)其組織結(jie)構、硬度和(he)(he)(he)孔隙率(lv)(lv)等(deng)(deng)(deng)(deng)多種(zhong)因素有關[5, 6]。用不同方法制(zhi)備(bei)的(de)熱(re)(re)障(zhang)(zhang)涂層(ceng)(ceng)，其性能(neng)不同[7, 8]。等(deng)(deng)(deng)(deng)離(li)子(zi)噴(pen)涂-物(wu)理(li)氣(qi)(qi)相(xiang)沉(chen)積（Plasma Spray-Physical Vapor Deposition, PS-PVD）是(shi)一種(zhong)在(zai)(zai)等(deng)(deng)(deng)(deng)離(li)子(zi)噴(pen)涂（PS）和(he)(he)(he)電子(zi)束(shu)-物(wu)理(li)氣(qi)(qi)相(xiang)沉(chen)積（EB-PVD）工藝基礎(chu)上發展的(de)新型熱(re)(re)障(zhang)(zhang)涂層(ceng)(ceng)制(zhi)備(bei)技術。在(zai)(zai)輸(shu)出功率(lv)(lv)超過100 kW的(de)等(deng)(deng)(deng)(deng)離(li)子(zi)體(ti)(ti)(ti)(ti)噴(pen)涂系統和(he)(he)(he)150 Pa的(de)高(gao)(gao)真空(kong)環境共同作(zuo)用下，陶瓷(ci)粉末顆粒(li)氣(qi)(qi)化(hua)后膨脹射流(liu)在(zai)(zai)基體(ti)(ti)(ti)(ti)表面，快速(su)沉(chen)積形成類似EB-PVD柱(zhu)狀結(jie)構的(de)熱(re)(re)障(zhang)(zhang)涂層(ceng)(ceng)[9, 10]。PS-PVD熱(re)(re)障(zhang)(zhang)涂層(ceng)(ceng)的(de)孔隙率(lv)(lv)高(gao)(gao)、熱(re)(re)導(dao)率(lv)(lv)低(di)、抗(kang)熱(re)(re)震性能(neng)好，且工藝效率(lv)(lv)高(gao)(gao)、成本(ben)較低(di)，PS-PVD是(shi)制(zhi)備(bei)先進(jin)熱(re)(re)障(zhang)(zhang)涂層(ceng)(ceng)最有前(qian)景的(de)技術之一[11,12]。在(zai)(zai)PS-PVD制(zhi)備(bei)熱(re)(re)障(zhang)(zhang)涂層(ceng)(ceng)過程中等(deng)(deng)(deng)(deng)離(li)子(zi)體(ti)(ti)(ti)(ti)參數和(he)(he)(he)特(te)性顯著影響等(deng)(deng)(deng)(deng)離(li)子(zi)射流(liu)狀態和(he)(he)(he)溫度分布，并最終影響涂層(ceng)(ceng)結(jie)構和(he)(he)(he)性能(neng)[13, 14]。Ar/He氣(qi)(qi)體(ti)(ti)(ti)(ti)的(de)電離(li)電位較低(di)，易形成穩(wen)定的(de)等(deng)(deng)(deng)(deng)離(li)子(zi)弧，是(shi)目前(qian)PS-PVD使(shi)用的(de)等(deng)(deng)(deng)(deng)離(li)子(zi)工作(zuo)氣(qi)(qi)體(ti)(ti)(ti)(ti)。H2具有特(te)別(bie)的(de)熱(re)(re)物(wu)理(li)性質，是(shi)傳統等(deng)(deng)(deng)(deng)離(li)子(zi)噴(pen)涂選擇的(de)一種(zhong)優良輔助(zhu)工作(zuo)氣(qi)(qi)體(ti)(ti)(ti)(ti)[15, 16]。本(ben)文使(shi)用PS-PVD工藝在(zai)(zai)不同H2流(liu)量(liang)條件下在(zai)(zai)K417高(gao)(gao)溫合金基體(ti)(ti)(ti)(ti)上制(zhi)備(bei)7YSZ熱(re)(re)障(zhang)(zhang)涂層(ceng)(ceng)，研究等(deng)(deng)(deng)(deng)離(li)子(zi)工作(zuo)氣(qi)(qi)體(ti)(ti)(ti)(ti)中H2組分流(liu)量(liang)對PS-PVD熱(re)(re)障(zhang)(zhang)涂層(ceng)(ceng)組織結(jie)構及(ji)抗(kang)沖(chong)蝕(shi)性能(neng)的(de)影響。

1 實(shi)驗方法

1.1 涂層的制備

實驗前將(jiang)K417合金基(ji)體(ti)（？25.4 mm×6.0 mm）置(zhi)于煤油(you)中進(jin)行(xing)超聲波清(qing)洗，之(zhi)后(hou)用(yong)酒精(jing)清(qing)洗并擦拭干凈以潔凈基(ji)體(ti)。在噴(pen)(pen)(pen)涂粘(zhan)結層和陶瓷(ci)層之(zhi)前都對樣品進(jin)行(xing)噴(pen)(pen)(pen)砂處理，噴(pen)(pen)(pen)砂氣壓(ya)0.35 MPa,使用(yong)120# 剛玉砂。噴(pen)(pen)(pen)砂后(hou)用(yong)壓(ya)縮空氣清(qing)除(chu)基(ji)體(ti)表(biao)面的殘余砂粒(li)，并用(yong)酒精(jing)清(qing)潔試樣表(biao)面。噴(pen)(pen)(pen)砂后(hou)基(ji)體(ti)的粗糙度為(wei)4.2~5.3 μm。

使用低溫超音速火焰(yan)噴(pen)(pen)(pen)(pen)涂(tu)(tu)（LT-HVOF,GTV-K2）設備(bei)(bei)，以NiCoCrAlY（6~30 μm,AMPERITTM 997,Sulzer-Metco）粉(fen)末(mo)為(wei)原料(liao)制(zhi)備(bei)(bei)中間粘(zhan)結(jie)層（bonding coating,BC）。使用等離子噴(pen)(pen)(pen)(pen)涂(tu)(tu)-物(wu)理氣相沉積（PS-PVD, Sulzer-Metco）設備(bei)(bei)，以團聚燒結(jie)的(de)(de)7YSZ粉(fen)末(mo)（30±1 μm,M6700,Sulzer-Metco）為(wei)原料(liao)制(zhi)備(bei)(bei)熱(re)障(zhang)涂(tu)(tu)層。PS-PVD噴(pen)(pen)(pen)(pen)槍型號為(wei)O3CP,噴(pen)(pen)(pen)(pen)槍口徑為(wei)12.5 mm。噴(pen)(pen)(pen)(pen)涂(tu)(tu)過程(cheng)：將噴(pen)(pen)(pen)(pen)砂并清潔后的(de)(de)樣品固定在噴(pen)(pen)(pen)(pen)涂(tu)(tu)夾具(ju)上，設置機械(xie)手(shou)噴(pen)(pen)(pen)(pen)涂(tu)(tu)程(cheng)序(xu)，通(tong)過真空泵把(ba)噴(pen)(pen)(pen)(pen)涂(tu)(tu)真空罐(guan)抽至150 Pa,然后回(hui)充氬氣至4000 Pa,進行噴(pen)(pen)(pen)(pen)槍點(dian)火。通(tong)過等離子體(ti)將基(ji)體(ti)預熱(re)至850℃，再通(tong)過機械(xie)手(shou)調整噴(pen)(pen)(pen)(pen)距(ju)為(wei)950 mm進行雙管送粉(fen)噴(pen)(pen)(pen)(pen)涂(tu)(tu)。在噴(pen)(pen)(pen)(pen)涂(tu)(tu)過程(cheng)中對真空罐(guan)進行適量的(de)(de)補氧，以防止7YSZ晶體(ti)失氧。同時，在噴(pen)(pen)(pen)(pen)涂(tu)(tu)前(qian)把(ba)7YSZ粉(fen)末(mo)放(fang)入送粉(fen)器烘干，溫度為(wei)50℃。7YSZ涂(tu)(tu)層PS-PVD噴(pen)(pen)(pen)(pen)涂(tu)(tu)工藝的(de)(de)參數，列(lie)于表1。

1.2 沖蝕實驗

沖(chong)蝕試(shi)驗(yan)在(zai)自制(zhi)的(de)氣體(ti)噴(pen)(pen)砂沖(chong)蝕試(shi)驗(yan)機上進(jin)(jin)行，示意圖如(ru)圖1所示。以不(bu)規則剛玉砂礫（粒徑約80 ?m）為原(yuan)料，在(zai)室溫下對PS-PVD熱(re)障(zhang)涂(tu)(tu)層進(jin)(jin)行沖(chong)蝕。沖(chong)蝕標準為GE E50TF121。每沖(chong)蝕5 s稱重(zhong)(zhong)一次，記錄樣品(pin)(pin)沖(chong)蝕前(qian)后重(zhong)(zhong)量。沖(chong)蝕前(qian)后重(zhong)(zhong)量差(cha)為沖(chong)蝕失(shi)重(zhong)(zhong)量，以沖(chong)蝕失(shi)重(zhong)(zhong)量衡(heng)量涂(tu)(tu)層的(de)抗沖(chong)蝕性(xing)能，共沖(chong)蝕25 s。試(shi)驗(yan)時(shi)把樣品(pin)(pin)固(gu)定于樣品(pin)(pin)臺（6）上，通(tong)過樣品(pin)(pin)臺旋轉調節噴(pen)(pen)槍(qiang)與(yu)樣品(pin)(pin)的(de)夾(jia)角(jiao)，使粒子流以20°攻角(jiao)對熱(re)障(zhang)涂(tu)(tu)層進(jin)(jin)行沖(chong)蝕，調節噴(pen)(pen)嘴到熱(re)障(zhang)涂(tu)(tu)層表(biao)面(mian)中(zhong)心(xin)位置的(de)距(ju)離為102 mm,通(tong)過氣體(ti)流量計（2）調節壓(ya)縮空氣壓(ya)力為0.25 MPa。

圖1 氣體噴砂沖蝕(shi)試(shi)驗機(ji)的示意(yi)圖

1.3 性能(neng)表征

用場(chang)發射-電子顯微(wei)鏡（“FE-SEM” Nova-Nano-430,FEI,Holland）分(fen)析PS-PVD熱障涂層截(jie)(jie)面(mian)以及沖(chong)蝕前、后的(de)表面(mian)形貌。使用顯微(wei)硬度儀（MH-5,Everone,China）測量(liang)陶瓷層截(jie)(jie)面(mian)的(de)硬度（載(zai)荷(he)25 g,加載(zai)15 s）。

2 結果和討(tao)論

2.1 沖蝕前、后表(biao)面(mian)形貌

圖2給出了1#、2#、3#試樣的(de)SEM表(biao)面形貌(mao)，其中(zhong)a、b、c為(wei)沖(chong)蝕(shi)前，d、e、f為(wei)沖(chong)蝕(shi)后。“菜(cai)花(hua)”狀(zhuang)的(de)涂(tu)(tu)(tu)層(ceng)頂(ding)部結構(gou)是PS-PVD熱障涂(tu)(tu)(tu)層(ceng)標(biao)志性(xing)的(de)表(biao)面形貌(mao)特(te)征(zheng)(zheng)。當(dang)噴涂(tu)(tu)(tu)時等離子工(gong)作(zuo)氣體中(zhong)不加(jia)H2時涂(tu)(tu)(tu)層(ceng)晶粒之間(jian)(jian)結合較(jiao)(jiao)疏(shu)松，表(biao)面存在(zai)大量孔(kong)洞(dong)和縫隙，“菜(cai)花(hua)頭”形貌(mao)特(te)征(zheng)(zheng)明顯（圖2a）；加(jia)入(ru)H2后涂(tu)(tu)(tu)層(ceng)晶粒變得粗大且(qie)相互之間(jian)(jian)聯(lian)系(xi)較(jiao)(jiao)為(wei)緊密，表(biao)面類似1#試樣中(zhong)的(de)孔(kong)洞(dong)和縫隙出現(xian)較(jiao)(jiao)少，依然表(biao)現(xian)出“菜(cai)花(hua)頭”形貌(mao)特(te)征(zheng)(zheng)（圖2b、2c）。由此可知(zhi)，等離子工(gong)作(zuo)氣體中(zhong)H2流量的(de)改變影響(xiang)涂(tu)(tu)(tu)層(ceng)的(de)表(biao)面形貌(mao)。

圖2 沖刷(shua)前后(hou)試(shi)樣的表面(mian)形貌

沖(chong)(chong)(chong)蝕(shi)后，涂(tu)層(ceng)表(biao)面形貌(mao)發生不(bu)同程度改變。1#試(shi)(shi)樣(yang)(yang)的(de)(de)表(biao)面形貌(mao)完(wan)全(quan)被(bei)改變，“菜(cai)花(hua)頭”部(bu)分沖(chong)(chong)(chong)蝕(shi)殆盡，留下(xia)大(da)量晶(jing)體斷(duan)裂后形成的(de)(de)斷(duan)茬、凹坑和裂痕(hen)，沖(chong)(chong)(chong)蝕(shi)后表(biao)面粗糙（圖2d）。2#試(shi)(shi)樣(yang)(yang)沖(chong)(chong)(chong)蝕(shi)后“菜(cai)花(hua)頭”部(bu)分全(quan)部(bu)沖(chong)(chong)(chong)蝕(shi)掉，與1#試(shi)(shi)樣(yang)(yang)相比(bi)，2#試(shi)(shi)樣(yang)(yang)沖(chong)(chong)(chong)蝕(shi)后表(biao)面較為(wei)平整，沒(mei)有觀(guan)察到(dao)柱狀晶(jing)斷(duan)裂后的(de)(de)裂痕(hen)和斷(duan)茬，有少量凹坑，可(ke)以(yi)觀(guan)察到(dao)沙粒沖(chong)(chong)(chong)蝕(shi)后的(de)(de)“刮痕(hen)”（ 圖2e）。其(qi)原因(yin)可(ke)能是(shi)，2#試(shi)(shi)樣(yang)(yang)的(de)(de)柱狀晶(jing)體結(jie)合強度較低，粒子(zi)(zi)的(de)(de)犁削力作(zuo)用(yong)效果(guo)明顯(xian)(xian)，使熱(re)障涂(tu)層(ceng)被(bei)一(yi)層(ceng)一(yi)層(ceng)的(de)(de)“削掉”，從(cong)而形成平整的(de)(de)沖(chong)(chong)(chong)蝕(shi)后形貌(mao)。3#試(shi)(shi)樣(yang)(yang)沖(chong)(chong)(chong)蝕(shi)后的(de)(de)形貌(mao)與其(qi)他試(shi)(shi)樣(yang)(yang)有明顯(xian)(xian)不(bu)同，“菜(cai)花(hua)頭”部(bu)分只(zhi)被(bei)沖(chong)(chong)(chong)蝕(shi)掉一(yi)部(bu)分，依然(ran)可(ke)以(yi)觀(guan)察到(dao)“菜(cai)花(hua)頭”結(jie)構(gou)存留，組(zu)織(zhi)完(wan)整性(xing)保持(chi)較好(hao)，表(biao)面沖(chong)(chong)(chong)蝕(shi)痕(hen)跡不(bu)明顯(xian)(xian)（圖2f）。這個結(jie)果(guo)說明，與1#和2#試(shi)(shi)樣(yang)(yang)相比(bi)3#試(shi)(shi)樣(yang)(yang)的(de)(de)抗沖(chong)(chong)(chong)蝕(shi)性(xing)能有顯(xian)(xian)著提高。等離(li)子(zi)(zi)工作(zuo)氣體中(zhong)H2流量的(de)(de)改變，也(ye)影響(xiang)涂(tu)層(ceng)的(de)(de)抗沖(chong)(chong)(chong)蝕(shi)性(xing)能。

2.2 樣品(pin)的截面形貌

圖(tu)3給出了1#、2#、3#試(shi)(shi)(shi)樣的(de)(de)(de)(de)(de)SEM截面形貌(mao)。可以看出，試(shi)(shi)(shi)樣均為(wei)柱(zhu)狀(zhuang)晶(jing)(jing)結(jie)構(gou)，但是隨著(zhu)等(deng)離子工作氣(qi)體(ti)中H2流量(liang)的(de)(de)(de)(de)(de)增大(da)結(jie)構(gou)逐(zhu)漸(jian)改變。不加H2,1#試(shi)(shi)(shi)樣的(de)(de)(de)(de)(de)柱(zhu)狀(zhuang)晶(jing)(jing)外形輪廓(kuo)明顯(xian)，晶(jing)(jing)體(ti)生(sheng)長較(jiao)(jiao)(jiao)為(wei)整齊，呈一定規則(ze)排列，單(dan)個晶(jing)(jing)粒(li)的(de)(de)(de)(de)(de)微(wei)觀(guan)組(zu)織結(jie)構(gou)致密（圖(tu)3a）。涂(tu)層(ceng)內部存(cun)在部分較(jiao)(jiao)(jiao)大(da)的(de)(de)(de)(de)(de)縫(feng)隙(xi)，涂(tu)層(ceng)的(de)(de)(de)(de)(de)宏(hong)(hong)觀(guan)結(jie)構(gou)較(jiao)(jiao)(jiao)為(wei)疏松(song)，孔隙(xi)率較(jiao)(jiao)(jiao)大(da)；H2流量(liang)為(wei)5 SLPM,2#試(shi)(shi)(shi)樣的(de)(de)(de)(de)(de)柱(zhu)狀(zhuang)晶(jing)(jing)體(ti)比1#試(shi)(shi)(shi)樣更粗(cu)大(da)，排列更不規則(ze)，“羽毛(mao)狀(zhuang)”特征變得明顯(xian)[9],沒(mei)(mei)有(you)較(jiao)(jiao)(jiao)大(da)的(de)(de)(de)(de)(de)宏(hong)(hong)觀(guan)縫(feng)隙(xi)或孔洞，但是晶(jing)(jing)粒(li)中存(cun)在大(da)量(liang)的(de)(de)(de)(de)(de)微(wei)小孔洞（圖(tu)3b）。在原本1#試(shi)(shi)(shi)樣中的(de)(de)(de)(de)(de)晶(jing)(jing)間縫(feng)隙(xi)區(qu)域(yu)被(bei)大(da)量(liang)“羽絲”狀(zhuang)結(jie)構(gou)和未氣(qi)化顆粒(li)填充，熱障(zhang)(zhang)涂(tu)層(ceng)組(zu)織結(jie)構(gou)疏松(song)，涂(tu)層(ceng)孔隙(xi)率較(jiao)(jiao)(jiao)大(da)；H2流量(liang)增大(da)到10 SLPM后，熱障(zhang)(zhang)涂(tu)層(ceng)的(de)(de)(de)(de)(de)組(zu)織結(jie)構(gou)發(fa)生(sheng)了明顯(xian)改變，沒(mei)(mei)有(you)明顯(xian)的(de)(de)(de)(de)(de)晶(jing)(jing)間過渡區(qu)域(yu)，熱障(zhang)(zhang)涂(tu)層(ceng)宏(hong)(hong)觀(guan)孔隙(xi)較(jiao)(jiao)(jiao)少(shao)。單(dan)個柱(zhu)狀(zhuang)晶(jing)(jing)體(ti)由(you)團絮狀(zhuang)的(de)(de)(de)(de)(de)細小晶(jing)(jing)粒(li)組(zu)成，存(cun)在少(shao)量(liang)微(wei)觀(guan)孔隙(xi)，整體(ti)結(jie)構(gou)較(jiao)(jiao)(jiao)為(wei)均勻，孔隙(xi)率較(jiao)(jiao)(jiao)小（圖(tu)3c）。

圖3 涂層(ceng)的截面形貌

用圖像法計(ji)算(suan)試樣的(de)(de)孔(kong)隙(xi)(xi)率(lv)，1#、2#、3#試樣的(de)(de)孔(kong)隙(xi)(xi)率(lv)分別為16.7%、20.4%和(he)7.7%。這些結果表明，等離(li)子(zi)工作氣體(ti)中(zhong)H2的(de)(de)流(liu)量(liang)影響涂層的(de)(de)組(zu)織結構(gou)(gou)和(he)孔(kong)隙(xi)(xi)率(lv)。在以Ar/He為主的(de)(de)等離(li)子(zi)工作氣體(ti)中(zhong)加入(ru)少(shao)量(liang)的(de)(de)H2,涂層結構(gou)(gou)由類似EB-PVD柱狀結構(gou)(gou)變成(cheng)羽毛(mao)狀，孔(kong)隙(xi)(xi)率(lv)增大，涂層疏松(song)；當H2流(liu)量(liang)大于某個值(zhi)后涂層結構(gou)(gou)反而(er)變得更(geng)加致密，涂層孔(kong)隙(xi)(xi)率(lv)大幅度降(jiang)低。

2.3 顯微(wei)硬(ying)度(du)

圖4給出了(le)1#、2#、3#試(shi)(shi)樣的截面顯(xian)微硬(ying)度(du)分(fen)布(bu)，7次測(ce)試(shi)(shi)平均值(zhi)分(fen)別(bie)為224.2、236.6、394.4 HV0.025。圖4表明，等離子工(gong)作氣體中(zhong)的H2流(liu)(liu)量(liang)影響試(shi)(shi)樣的顯(xian)微硬(ying)度(du)，且隨著H2流(liu)(liu)量(liang)的增(zeng)大顯(xian)微硬(ying)度(du)提(ti)高(gao)。同時，與1#和(he)2#試(shi)(shi)樣相(xiang)比(bi)，3#試(shi)(shi)樣的顯(xian)微硬(ying)度(du)分(fen)別(bie)提(ti)高(gao)了(le)76%、67%。這表明，涂層(ceng)顯(xian)微硬(ying)度(du)與H2流(liu)(liu)量(liang)并非線性相(xiang)關，而是當H2流(liu)(liu)量(liang)大于某個(ge)值(zhi)后PS-PVD熱障涂層(ceng)的顯(xian)微硬(ying)度(du)大幅度(du)提(ti)高(gao)。

圖4 涂層截面的顯微硬度

2.4 抗沖(chong)蝕(shi)性(xing)能

圖5給出了攻角(jiao)為20°試(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)樣(yang)(yang)(yang)(yang)的(de)粒子(zi)沖(chong)(chong)蝕(shi)(shi)(shi)實驗結果。在相同(tong)(tong)條(tiao)件下沖(chong)(chong)蝕(shi)(shi)(shi)25 s后(hou)，1#、2#、3#試(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)樣(yang)(yang)(yang)(yang)的(de)沖(chong)(chong)蝕(shi)(shi)(shi)失(shi)重(zhong)量(liang)(liang)分(fen)別為78.5 mg、65.0 mg和(he)17.3 mg。1#試(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)樣(yang)(yang)(yang)(yang)的(de)失(shi)重(zhong)量(liang)(liang)比2#和(he)3#試(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)樣(yang)(yang)(yang)(yang)大。這說明，在制備過程中加入H2可提(ti)高(gao)(gao)PS-PVD熱障涂層的(de)抗沖(chong)(chong)蝕(shi)(shi)(shi)性能(neng)(neng)；1#試(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)樣(yang)(yang)(yang)(yang)和(he)2#試(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)樣(yang)(yang)(yang)(yang)的(de)失(shi)重(zhong)量(liang)(liang)分(fen)別是3#試(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)樣(yang)(yang)(yang)(yang)失(shi)重(zhong)量(liang)(liang)的(de)4.5倍和(he)3.8倍。3#試(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)樣(yang)(yang)(yang)(yang)的(de)抗沖(chong)(chong)蝕(shi)(shi)(shi)性能(neng)(neng)顯著優于另外兩組試(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)樣(yang)(yang)(yang)(yang)，說明H2流量(liang)(liang)增大與(yu)涂層抗沖(chong)(chong)蝕(shi)(shi)(shi)性能(neng)(neng)提(ti)高(gao)(gao)之間(jian)的(de)關系同(tong)(tong)樣(yang)(yang)(yang)(yang)并非線性，而是當(dang)H2流量(liang)(liang)超過一定值后(hou)熱障涂層的(de)抗沖(chong)(chong)蝕(shi)(shi)(shi)性能(neng)(neng)大幅度提(ti)高(gao)(gao)，與(yu)硬度的(de)情(qing)況相似(si)。

圖5 固體(ti)顆(ke)粒(li)沖蝕(shi)試樣的失重

JANOS等給出了一個熱障涂(tu)層(ceng)的沖蝕率(lv)與維(wei)氏顯微硬度(du)的關系(xi)[17]

其(qi)中ν為(wei)APS熱(re)(re)(re)障(zhang)(zhang)涂(tu)層(ceng)(ceng)的沖(chong)(chong)蝕(shi)(shi)率(lv)，Ht為(wei)熱(re)(re)(re)障(zhang)(zhang)涂(tu)層(ceng)(ceng)的維氏顯(xian)微(wei)硬度，a、b為(wei)常數(shu)（>0）。這個經驗(yan)公式(shi)說明，隨著熱(re)(re)(re)障(zhang)(zhang)涂(tu)層(ceng)(ceng)硬度的增加(jia)涂(tu)層(ceng)(ceng)沖(chong)(chong)蝕(shi)(shi)率(lv)降低(di)，抗沖(chong)(chong)蝕(shi)(shi)性能提(ti)高(gao)。這與本研(yan)究的沖(chong)(chong)蝕(shi)(shi)試驗(yan)和(he)顯(xian)微(wei)硬度測試結果一致，說明JANOS公式(shi)也(ye)適用于PS-PVD所制備的柱(zhu)狀結構(gou)熱(re)(re)(re)障(zhang)(zhang)涂(tu)層(ceng)(ceng)體系。同時也(ye)說明，H2能改善PS-PVD熱(re)(re)(re)障(zhang)(zhang)涂(tu)層(ceng)(ceng)的抗沖(chong)(chong)蝕(shi)(shi)性能。在等離子工作(zuo)氣體中加(jia)入10 SLPM的H2 可大幅度提(ti)高(gao)PS-PVD熱(re)(re)(re)障(zhang)(zhang)涂(tu)層(ceng)(ceng)的抗沖(chong)(chong)蝕(shi)(shi)性能，接近APS熱(re)(re)(re)障(zhang)(zhang)涂(tu)層(ceng)(ceng)的水(shui)平（13.2 mg）。

2.5 H2影響(xiang)PS-PVD熱(re)障涂層性能的機理

根據Georg Mauer等(deng)的(de)(de)(de)(de)研(yan)究，加(jia)入(ru)H2顯著影響PS-PVD等(deng)離子射(she)(she)流(liu)的(de)(de)(de)(de)狀態(tai)。在凈功率為(wei)(wei)60 kW、Ar/He流(liu)量(liang)分(fen)別為(wei)(wei)35和60 SLPM的(de)(de)(de)(de)等(deng)離子射(she)(she)流(liu)焓值為(wei)(wei)838965 J?mol-1的(de)(de)(de)(de)情況下，加(jia)入(ru)10 SLPM的(de)(de)(de)(de)H2后(hou)等(deng)離子射(she)(she)流(liu)的(de)(de)(de)(de)焓值降(jiang)低到(dao)768410 J?mol-1;射(she)(she)流(liu)溫度降(jiang)低大約(yue)1000 K。同時(shi)，射(she)(she)流(liu)中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)ZrO2分(fen)子分(fen)布也受到(dao)影響。在Ar/He等(deng)離子射(she)(she)流(liu)中(zhong)(zhong)，ZrO2集中(zhong)(zhong)在射(she)(she)流(liu)軸及左右(you)很(hen)窄的(de)(de)(de)(de)區域；加(jia)入(ru)H2后(hou)等(deng)離子射(she)(she)流(liu)明顯寬(kuan)化(hua)，而(er)射(she)(she)流(liu)中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)ZrO2在射(she)(she)流(liu)軸及左右(you)更(geng)寬(kuan)的(de)(de)(de)(de)區域內(nei)分(fen)布的(de)(de)(de)(de)更(geng)加(jia)均(jun)勻，如圖6所示[13,14]。

圖6 噴距(ju)1 m位置等(deng)離子射(she)流中徑向粒子分(fen)布密度[13]

在(zai)PS-PVD制(zhi)備(bei)YSZ熱障涂(tu)(tu)層過程中(zhong)，噴槍上下掃(sao)動(dong)則基(ji)(ji)體(ti)(ti)的(de)(de)溫(wen)(wen)(wen)度(du)不停地變(bian)(bian)化(hua)。Ar/He等離子(zi)(zi)(zi)射(she)流(liu)(liu)(liu)的(de)(de)加(jia)熱區(qu)域(yu)(yu)(yu)較(jiao)(jiao)小(xiao)，溫(wen)(wen)(wen)度(du)較(jiao)(jiao)高(gao)(gao)(gao)，ZrO2分子(zi)(zi)(zi)高(gao)(gao)(gao)度(du)集(ji)中(zhong)。這(zhe)導致(zhi)處于射(she)流(liu)(liu)(liu)中(zhong)心區(qu)域(yu)(yu)(yu)的(de)(de)基(ji)(ji)體(ti)(ti)涂(tu)(tu)層沉(chen)積面(mian)(mian)(mian)和(he)背面(mian)(mian)(mian)的(de)(de)溫(wen)(wen)(wen)差較(jiao)(jiao)大(da)，高(gao)(gao)(gao)密(mi)度(du)的(de)(de)氣(qi)(qi)相ZrO2分子(zi)(zi)(zi)在(zai)基(ji)(ji)體(ti)(ti)表面(mian)(mian)(mian)形核后(hou)沿(yan)垂(chui)直基(ji)(ji)體(ti)(ti)方向取(qu)向生(sheng)(sheng)長，并在(zai)陰影效應的(de)(de)影響下形成輪廓明顯、高(gao)(gao)(gao)孔(kong)隙率(lv)的(de)(de)柱(zhu)(zhu)狀(zhuang)晶。加(jia)入(ru)H2以后(hou)等離子(zi)(zi)(zi)射(she)流(liu)(liu)(liu)加(jia)熱區(qu)域(yu)(yu)(yu)和(he)ZrO2分子(zi)(zi)(zi)分布區(qu)域(yu)(yu)(yu)寬化(hua)，射(she)流(liu)(liu)(liu)溫(wen)(wen)(wen)度(du)和(he)ZrO2分子(zi)(zi)(zi)密(mi)度(du)同時降低(di)(di)(di)。這(zhe)使(shi)得基(ji)(ji)體(ti)(ti)的(de)(de)溫(wen)(wen)(wen)度(du)變(bian)(bian)化(hua)較(jiao)(jiao)為緩慢(man)，近似(si)保(bao)持穩(wen)定，射(she)流(liu)(liu)(liu)中(zhong)心區(qu)域(yu)(yu)(yu)基(ji)(ji)體(ti)(ti)的(de)(de)涂(tu)(tu)層沉(chen)積面(mian)(mian)(mian)和(he)背面(mian)(mian)(mian)的(de)(de)溫(wen)(wen)(wen)差較(jiao)(jiao)小(xiao)，氣(qi)(qi)相ZrO2分子(zi)(zi)(zi)在(zai)一個較(jiao)(jiao)大(da)區(qu)域(yu)(yu)(yu)內低(di)(di)(di)密(mi)度(du)均勻分布，在(zai)基(ji)(ji)體(ti)(ti)表面(mian)(mian)(mian)形核后(hou)沿(yan)垂(chui)直基(ji)(ji)體(ti)(ti)方向生(sheng)(sheng)長的(de)(de)同時也(ye)(ye)有(you)向四周生(sheng)(sheng)長的(de)(de)趨(qu)勢。這(zhe)導致(zhi)柱(zhu)(zhu)狀(zhuang)晶體(ti)(ti)粗化(hua)，表面(mian)(mian)(mian)的(de)(de)“菜花狀(zhuang)”形貌也(ye)(ye)發生(sheng)(sheng)改變(bian)(bian)。同時，射(she)流(liu)(liu)(liu)溫(wen)(wen)(wen)度(du)的(de)(de)降低(di)(di)(di)使(shi)粉(fen)末的(de)(de)氣(qi)(qi)化(hua)率(lv)降低(di)(di)(di)，未(wei)氣(qi)(qi)化(hua)的(de)(de)顆粒增多。未(wei)氣(qi)(qi)化(hua)的(de)(de)顆粒填充柱(zhu)(zhu)狀(zhuang)晶體(ti)(ti)間(jian)的(de)(de)縫隙，使(shi)宏(hong)觀孔(kong)隙變(bian)(bian)少而微觀孔(kong)隙增多。晶體(ti)(ti)結構(gou)的(de)(de)變(bian)(bian)化(hua)，也(ye)(ye)使(shi)涂(tu)(tu)層的(de)(de)硬度(du)提高(gao)(gao)(gao)。這(zhe)些因素(su)的(de)(de)共同作用，使(shi)加(jia)H2等離子(zi)(zi)(zi)射(she)流(liu)(liu)(liu)制(zhi)備(bei)的(de)(de)PS-PVD熱障涂(tu)(tu)層的(de)(de)抗(kang)沖(chong)蝕性能(neng)大(da)幅度(du)提高(gao)(gao)(gao)。

3 結論

（1） 應用PS-PVD制備YSZ熱障涂(tu)(tu)層(ceng)(ceng)時，等(deng)離子工(gong)作氣體(ti)中(zhong)的H2對(dui)熱障涂(tu)(tu)層(ceng)(ceng)的微觀組織結(jie)構、表面形貌、孔隙(xi)率、顯微硬度、抗沖蝕性(xing)能等(deng)性(xing)能有顯著的影(ying)響。

（2） 等離(li)子工(gong)作(zuo)體(ti)中H2組分流量(liang)分別為(wei)0、5和(he)10 SLPM時準備的(de)熱障(zhang)涂層，其孔(kong)隙率(lv)(lv)分別為(wei)16.7%、20.4%和(he)7.7%,顯(xian)(xian)微硬度分別為(wei)224.2、236.6和(he)394.4 HV0.025,25 s粒子沖(chong)蝕失重量(liang)分別為(wei)78.5 mg、65.0 mg和(he)17.3 mg。隨著(zhu)H2組分流量(liang)的(de)增(zeng)大(da)熱障(zhang)涂層孔(kong)隙率(lv)(lv)先增(zeng)大(da)后減小，顯(xian)(xian)微硬度和(he)抗沖(chong)蝕性(xing)能提高。