l基高温抗氧化陶瓷涂层抗热震性能的研究

李家科 周健儿 刘 欣

(景德镇陶瓷学院材料科学与工程学院，景德镇：333001)

1 前言

随着高新技术的不断发展，对材料性能的要求愈来愈高，由于工程机械，陶瓷生产辅助设备及构件等工作条件日益苟刻，要求材料具有耐高温、高温抗氧化、抗疲劳、抗热震以及耐冲刷等性能[1-3]。金属（合金）材料在高温情况下具有强度高和良好的韧性和导热性，但抗氧化性较差；而陶瓷材料具有良好的高温抗氧化性及耐磨性。因此，在金属（合金）表面涂敷一层陶瓷材料，可以获得一种既具有金属（合金）的强度、韧性和导热性能，又具有陶瓷材料耐高温、高温抗氧化、耐磨、耐腐蚀等优点的新型复合材料，而具有良好抗热震性能是保证金属基陶瓷涂层材料得以应用的关键[4-8]。本研究针对陶瓷涂层的配方组成和厚度对其抗热震性能的影响加以考察，并对其结果进行了分析与优化。

2 实验

2.1 试样的制备

陶瓷涂层原料是由分散相Cr2O3和粘结相组成，粘结相的配方组成如表1所示，其熔融温度为1200℃。将Cr2O3、陶瓷粘结相和水按一定质量进行配比，通过快速球磨制备成料浆，然后采用喷涂方式施于经过表面预处理的FeCrAl合金表面，经干燥后备用。涂层熔烧在普通的电炉中进行，先以13℃/min的升温速率升到800℃，再以17℃/min升温速率升到熔烧温度1300℃、保温60min后自然冷却。

2.2 试样的性能表征

用JSM-6700F（field emission scanning electron microscope,TESEM）场发射扫描电镜观察涂层 / FeCrAl界面的组织结构；用RPZ-1型高温热膨胀仪测定涂层的热膨胀系数；采用急冷急热法检测涂层试样的抗热震性。具体方法为：将试样快速升温达到1200℃、保温10min后取出风冷，然后再次放入1200℃炉内加热，往返至涂层出现裂纹或剥落为止，计算其循环次数。

3 结果分析与讨论

3.1 试样的组织结构

添加不同Cr2O3量的涂层试样界面SEM照片如表1所示，从图中可以看出，涂层与FeCrAl合金之间获得了较好的结合，且在涂层和合金之间形成了反应层。此外，从图中可以进一步看出，添加30%(质量百分比，下同)(图1(a))和70%(图1(c))Cr2O3所制备的涂层中分别出现了分散相聚集和空洞现象，只有当添加50%Cr2O3所制备的涂层（图1(b)）结构紧密，分散相均匀地分布在涂层中。产生上述的原因为，当Cr2O3添加量较少时(如30%)，在1300℃的熔融温度下会导致涂层料出现一定程度的过烧，使涂层中的粘结相出现流失和分散相聚集现象；当Cr2O3添加量较多时(如70%)，在1300℃的熔融温度下会使涂层料生烧，从而在涂层中出现空洞等缺陷；只有Cr2O3添加量为50%时，在1300℃的熔融温度下，可以使涂层料完全烧结，从而表现为涂层结构致密、分散相在涂层中均匀分布。

表1 陶瓷粘结料配方的原料组成(w t%)Tab.1 The composition of raw materials for cementing phase(wt.%)

图1 陶瓷涂层/F e C r A l合金界面的S E M照片Fig.1 Cross-section SEM images of the interface between the ceramic coating and the FeCrAl alloy matrix

图2 C r2O3的加入量与试样抗热震性的关系(涂层厚度为100 μm)Fig.2 Thermal shock resistance of the sample as a functions of Cr2O3doping amount (Note:the coating thickness is 100μm)

图3 不同C r2O3含量的涂层热膨胀系数(R T-1100℃)Fig.3 Thermal expansion coefficient of the coating as a function of Cr2O3doping amount

分散相Cr2O3添加量与涂层试样抗热震性能之间关系的实验结果如图2所示。从图中可以看出，随着Cr2O3添加量的增加，涂层试样的抗热震性能在逐渐增加，当添加量达到50%时，涂层试样的抗热震次数达最大值16次，随后再增加Cr2O3量，涂层试样的抗热震性能迅速下降，当添加量增加到70%时，涂层试样的抗热震次数已减小到3次。由于随着Cr2O3在涂层中含量的增加，涂层的热膨胀系数也相应增加（如图3所示），这将减小涂层与合金之间由于热膨胀系数等物理性能不匹配而产生热应力；此外，Cr2O3在涂层中量的增加，也将导致涂层烧结温度的升高，所以，在一定的熔烧温度下，Cr2O3在涂层中的含量有一个较佳值，当超过这个含量时，会导致涂层难以烧结，使涂层中出现空洞等缺陷，图1中的SEM照片也证实这一点。所以，虽然在Cr2O3的添加量70%时，涂层的热膨胀系数高达到12.53×10-6/℃,但是由于涂层结构疏松和与合金之间的结合性能差，从而导致了其抗热震性能的降低。

图4 涂层厚度与试样抗热震性的关系(C r2O3加入量为50%)Fig.4 Thermal-shock resistance of sample as functions of coating thickness（Cr2O3content 50%）(Note:adding content of Cr2O3is 50%)

3.3 厚度对试样抗热震性能的影响

为了研究涂层厚度对试样抗热震性能的影响，考察了在Cr2O3添加量为50%条件下，涂层厚度与其抗热震性能之间的关系，其结果如图4所示。从图中可以看出，当涂层厚度从50μm增加到100μm，试样的抗热震次数从10次增加到最大值16次；当涂层厚度从100μm增加到200μm时，试样的抗热震性能下降缓慢；当涂层厚度超过200μm时，试样的抗热震性能迅速下降，如涂层厚度为300μm时，试样的抗热震性仅为3次。产生这一实验现象的原因为，由于涂层与基体合金之间的热膨胀性能（见图3）等物理性能之间差异较大，必将在涂层和合金之间产生热应力，而一定厚度的涂层又可以起到缓冲界面热应力的作用。当涂层厚度为50μm时，由于厚度较薄，不能很好地缓冲界面的热应力，所以，试样的抗热震性能一般；随着涂层厚度的增加，缓冲界面热应力的作用越明显，当涂层厚度达到100μm时，缓冲界面热应力作用达到最佳，表现为试样的抗热震次数达到最大值；而涂层厚度在100～200μm之间变化时，由于涂层厚度增加所带来的界面热应力增加与其缓冲作用达到了一个相对平衡的阶段，所以具有这一涂层厚度试样的抗热震性能相差不大；当涂层厚度超过200μm时，涂层厚度增加导致热应力增加的效应超过了其缓冲应力的作用，所以表现为试样的抗热震性能迅速下降。

4 结论

采用陶瓷粘结相与Cr2O3制成料浆，采用喷涂方法和空气中1300℃熔烧制备FeCrAl基高温抗氧化陶瓷涂层，研究了Cr2O3的添加量和涂层厚度对试样抗热震性能的影响。当Cr2O3的添加量为50%、涂层厚度为100μm和熔烧制度1300℃×60min的条件下，所制备试样的抗热震次数可达16次（室温←→1200℃）。

Cr2O3对试样的抗热震性能有着显著的影响，它不仅可以有效地调节涂层的热膨胀性能，还可以调节涂料的熔融性能及与基体的结合性。在一定的熔烧温度下，Cr2O3在涂层中的添加量有一个较佳值，含量过低或过高将会使涂层欠烧或过烧，导致试样的抗热震性能降低。

适当厚度的涂层可以有效地缓冲界面热应力，提高试样抗热震性能的作用。

1 Serro A P,Completo C,Colaco R,et al.An efficient protection of stainless steel against corrosion:Combination of a conversion layer and titanium dioxide deposit.Surface and Coatings Technology,2009,203(24):3701～3707

2 Yarr apareddy E and Ko vacevic R. Synthesisand characterization of laser-based direct metal deposited nanoparticles reinforced surface coatings for industrial slurry erosion applications.Surface and Coatings Technology,2008, 202(10):1951～1965

3唐绍裘.高性能陶瓷涂层－材料、技术及应用市场.表面技术, 2002,31(2):46～47

4 Dimaggio R,Rossi S,Fedrizzi L,et al.ZrO2-CeO2films as protective coatings against dry and wet corrosion of metallic alloys.Surface and Coatings Technology,1997,89:292～298

5 Ljungberg B.Aluminum oxide coated cutting tool and metal of manufacturing thereof,US patent,5,766,782,1998-6～16

6李荣久.陶瓷-金属复合材料.北京:冶金出版社,2002

7陆佩文.硅酸盐物理化学.南京:东南大学出版社,1991

8陈元春,艾兴,黄传真.溶胶-凝胶法制作陶瓷涂层硬质合金刀具.硅酸盐学报,2000,28(4):352～356