吴彩红，何兵祥，刘名惠，万广宇

(广东羚光新材料股份有限公司，广东 肇庆 526100)

随着工业技术进步、高新技术发展以及人们生活水平的提高，对材料的性能和功能的要求也越来越严格。产品的表面往往是承载其性能或功能的重要部分，因此在很多工业领域，发展各种能提高材料表面性能的新的材料表面增强方法已逐渐成为研究的一大领域[1]。涂层技术是提高材料表面性能的主要方法之一。

传统浸涂法沉积的陶瓷涂层对金属载体的附着力较弱，在机械应力和振动作用下容易剥落。由于10YSZ浆料的毛细作用导致分布均匀性差，支撑孔内壁上的浸渍层比其他地方厚。为了弥补浸涂法的固有缺点，提出了一些预处理技术。如Adomaitis等[2]对金属载体进行了预涂层处理，从而缩短了沉积涂层前的扩散路径。然而，涂层的结合能力仍然难以保证。

大气等离子喷涂(APS)是工业中一种低成本、高灵活性的沉积技术，可以在任何基材上产生各种涂层。通过等离子喷涂而不是常见的湿浸方法沉积在基材上的涂层也可以提供更好的涂层附着力[3]。由于通过等离子喷涂沉积在表面的原料处于完全熔融状态和半熔融状态，涂层自然具有良好的附着力并达到更长的使用寿命。

本文通过大气等离子喷涂法将10wt%氧化钇稳定的氧化锆(10YSZ)初始粉末材料沉积在不锈钢网的表面上。10YSZ粉末的粒度范围为20～145 μm，其颗粒为不规则形状。用Y2O3稳定ZrO2可以抑制ZrO2在高温下的同素异晶转变，并且Y2O3对ZrO2是热导率影响不大，能避免高温下ZrO2的相变[4]。同时，我们还比较了初始喷涂粉末和通过将粉末等离子喷涂到不锈钢网表面获得的陶瓷的结构。

1 实 验

1.1 试 剂

镍基合金粉(NiCrAlCoY)，10wt%氧化钇稳定的氧化锆(10YSZ)，丙酮(C3H6O，分子量：58.08)。所用水为去离子水(Milli-Q，18.2 MΩ)。

1.2 金属基材前处理

将直径为0.3 mm的不锈钢丝制成网格单元尺寸为0.6 mm的丝网基材。喷涂前，丝网参照国家标准GB11373-89《热喷涂金属件表面预处理通则》对基体进行预处理，包括净化处理和粗化处理，利用超声波清洗仪使用丙酮对基体进行清洗，将丙酮加热至50 ℃左右，清洗10 min，去除基体表面污垢及金属颗粒等杂物[4]。粗糙化处理有利于在粘合涂层和基材之间获得良好的附着力[5]。

1.3 涂层制备

通过等离子喷涂在制备的不锈钢网样品表面制备双层涂层，由底层NiCrAlCoY和顶层10YSZ组成，即NiCrAlCoY/10YSZ。首先，将NiCrAlCoY涂层等离子喷涂在基材上。待NiCrAlCoY涂层的表面温度稍降，再将10YSZ等离子喷涂在NiCrAlCoY涂层表面获得均匀的涂层。喷涂设备为GDP-80A高能等离子喷涂机。喷涂参数见表1。喷涂工艺示意图见图1。

图1 等离子喷涂工艺示意图

1#涂层：单层，基材上直接喷涂10YSZ涂层。

2#涂层：双层，底层：NiCrAlCoY涂层/顶层：10YSZ涂层。

2 结果与讨论

图2是NiCrAlCoY合金喷涂粉和10YSZ陶瓷喷涂粉的SEM显微照片。图2(a～a′)中，NiCrAlCoY合金喷涂粉是直径为40～100 μm的球形颗粒，其一个球形颗粒是由无数纳米颗粒组成的。球形颗粒具有最小的表面自由能[6]。此外，从图2(a～a′)中可以看出，NiCrAlCoY合金粉末颗粒具有良好的分散性。图2(b～b′)是10YSZ陶瓷喷涂粉的SEM显微照片，颗粒尺寸适中，呈现一般破碎粉末形貌。从图2中可以看出，10YSZ陶瓷喷涂粉呈现不规则多棱角状，单个粉末颗粒内部致密。通常情况下，此类形貌颗粒热导率高，易熔化，在等离子射流中，熔化程度高，飞速撞击在基体表面，较易形成致密的、组织均匀的涂层[7]。

图3为两种喷涂用粉末的相对粒径分布，其显示两种粉末均呈单个、良好的正态分布。在图3(a)中，NiCrAlCoY的主要粒径范围分布在40～160 μm左右，与SEM的结果相对应。NiCrAlCoY粉末的D(10)为49 μm、D(50)为75.9 μm、D(90)为115 μm。图3(b)中，10YSZ的粒度范围在20～145 μm之间，其D(10)为41.3 μm、D(50)为66.2 μm、D(90)为99.8 μm。通过这些测试实验，认为所用的初始粉末材料可用于制造后续涂层。

通过等离子喷涂10YSZ和NiCrAlCoY/10YSZ粉末获得的陶瓷涂层的未处理表面的SEM图像如图4所示。当粒子在等离子体流中移动时，它们的表面会发生熔化。图4中具有凝固熔岩形式的沉积表面的形态表明到达生长表面的材料含有液相或增塑相。可以看出，相对而言，2#涂层表面裂纹宽度明显低于1#涂层。NiCrAlCoY结合涂层的热膨胀系数介于金属基体和陶瓷涂层之间，其可减小两者之间的热膨胀系数差异，降低裂纹的扩展速度，从而提高涂层的抗热震性。同时，2#涂层表面更为平整，且未熔化颗粒较1#涂层少。为了间接测试涂层的沉积效率和孔隙率，在下面的实验中测试了样品的横截面形貌。

图5显示了10YSZ和NiCrAlCoY/10YSZ涂层横截面的SEM照片，其涂层厚度均不均匀，为40～150 μm。显然，不锈钢网基材边缘凹凸不平，呈现粗糙表面，其有利于涂层与基体的结合。从图5(b～b′)可以看出，NiCrAlCoY粉末在不锈钢网上沉积良好，NiCrAlCoY涂层中存在少量孔隙，且其对基材具有良好的附着力。对比图5(a～a′)和图5(b～b′)发现，1#涂层与不锈钢网基材结合处存在较多且较大的缝隙，而2#涂层由于有NiCrAlCoY涂层缓冲，其基材与涂层结合处缝隙相对较小。在图5(b～b′)中，中间层厚度不均匀，其在10～15 μm之间。此外，在图5(b～b′)中，可以观察到NiCrAlCoY和10YSZ之间存在优异的粘附性。

1#涂层样品和2#涂层样品的EDS分析如图6所示。EDS样品是将涂覆丝网用树脂固封制成的。C、O是树脂中的主要元素。图6(a)为1#涂层样品截面图。图6(b～c)为1#涂层样品标记位置的EDS点扫描结果，从中可以看出，Zr、Y和O是涂层的主要元素，Zr、Y和O的元素含量分别为51.39wt%、9.96wt%和31.38wt%。图6(d)和图6(g)是2#涂层样品截面图。图6(e～f)是2#涂层样品底层涂层标记位置的EDS点扫描结果。涂层主要包含Ni、Co、Cr、Al、O和C，其中C和O元素应是制样引入的，Ni、Co、Cr和Al的元素含量分别为79.17wt%、2.39wt%、15.01wt%和0.78wt%。底层材料为NiCrAlCoY，Y元素未被检测到的原因可能是其含量太低。图6(h～i)为2#涂层样品顶层涂层标记位置的EDS点扫描结果。顶层涂层中主要存在Zr、Y、O和C元素，其元素含量为50.57wt%、9.81wt%、32.76wt%和6.87wt%。此外，图6(b～c)和图6(h～i)中出现的C元素应是制样造成的。证明1#涂层样品为10YSZ涂层，2#涂层样品为NiCrAlCoY/10YSZ涂层。

3 结 论

通过等离子喷涂技术喷涂在粗糙基材上沉积了1#涂层(10YSZ)和2#涂层(NiCrAlCoY/10YSZ)，并研究了其相关性能。根据实验结果，主要可归纳如下：

(1)研究了产品的表面形貌，其呈现凝固熔岩状表面，且与1#涂层相比，2#涂层表面更为平整，未熔化颗粒较少。

(2)分析了产品的断面形貌，可以观察到产品沉积良好，且NiCrAlCoY底层的厚度在10～15 μm的区间内，10YSZ陶瓷涂层的厚度在40～150 μm的区间内。

(3)2#涂层产品各涂层之间结合较好，制备的涂层裂纹、空隙较少，其综合性能更为优异。NiCrAlCoY结合涂层的热膨胀系数介于金属基体和陶瓷涂层之间，其可减小两者之间的热膨胀系数差异，降低裂纹的扩展速度，从而提高涂层的抗热震性。