1、第 15 卷 第 2 期 热 喷 涂 技 术 Vol.15,No.22023 年 6 月 Thermal Spray Technology Jun.,2023第一作者：周邦阳(1991-)，男，博士，工程师，。通讯作者：周邦阳，。基金项目：航空发动机及燃气轮机基础科学中心基金项目(P2022-B-IV-003-001)。等离子喷涂工艺参数对 BSAS 基可磨耗环境障涂层组织性能影响周邦阳1,3*，崔永静1,3，王长亮1,3，聂梓杏1,3，岳震1,3，焦健2,3，宇波3(1 中国航发北京航空材料研究院 航空材料先进腐蚀与防护航空科技重点实验室 北京 100095；2 中国航发北京航空材料研究院
2、先进复合材料科技重点实验室 北京 100095；3 中国航发北京航空材料研究院 表面工程研究所 北京 100095)摘要：为满足陶瓷基复合材料表面可磨耗环境障一体化涂层的需求，采用大气等离子喷涂技术制备 BSAS+聚酯(BSAS+P)涂层，研究喷涂工艺参数对涂层组织性能的影响。结果表明：涂层为典型的层状结构，内部存在一定数量的孔洞和微裂纹；在一定范围内，提高喷涂电流、氢气流量和载气流量，有利于提高粉末颗粒熔化程度，使其在基体表面平铺变形效果好，所得涂层具有合适的孔隙率和表面硬度。等离子喷涂 BSAS+P 涂层最佳工艺参数为：喷涂电流 550A、氩气流量 40NLPM、氢气流量 10NLPM、载
3、气流量 2.5NLPM，得到涂层孔隙率为 13.7%，表面硬度为 64.7HR45Y。采用上述工艺参数制得的涂层，与基体结合强度较高，并且在 1000下与 Si3N4球间的平均摩擦系数为 1.2，具有较好的可磨耗性能。关键词：可磨耗环境障涂层；大气等离子喷涂；工艺参数；组织性能中图分类号：TG174.4 文献标识码：A 文章编号：1674-7127(2023)02-0006-12 DOI 10.3969/j.issn.1674-7127.2023.02-006Effect of Plasma Spraying Parameters on Microstructure and Property
4、of the BSAS Based Abradable Environmental Barrier CoatingsZhou Bangyang1,3*,Cui Yongjing1,3,Wang Changliang1,3,Nie Zixing1,3,Yue Zhen1,3,Jiao Jian2,3,Yu Bo3(1.Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Advanced Corrosion and Protection for Aviation Material,AECC Beijing Institute of Aerona
5、utical Materials,Beijing 100095,China；2.National Key Laboratory of Advanced Composites，AECC Beijing Institute of Aeronautical Materials,Beijing 100095,China；3.Surface Engineering Division，AECC Beijing Institute of Aeronautical Materials,Beijing 100095,China)Abstract:To meet the requirement of abrada
6、ble environmental barrier coatings on the surface of ceramic matrix composites,BSAS+Polyester(BSAS+P)coatings were prepared by air plasma spraying technology,and the influence of spraying parameters on microstructure and mechanical property of the coatings was investigated.The results show that the
7、coatings are typical laminate structure with a certain number of internal pores and microcracks.Within a certain range,increasing the spraying current,hydrogen flow rate and carrier gas flow rate is conducive to improving the melting degree of the powder particles,which results in a good deformation
8、 effect 第 2 期 43 on the surface of the substrate.Therefore,the obtained coatings possess proper porosity and Rockwell hardness.The optimal process parameters of plasma spraying BSAS+P coating are:550A spraying current,40 NLPM argon flow rate,10 NLPM hydrogen flow rate and 2.5 NLPM carrier gas flow r
9、ate.In this case,the porosity and surface hardness of the coating are 13.7%,and 64.7 HR45Y,respectively.The coating prepared using the above parameters adheres well to the substrate,and the average friction coefficient between the coating and Si3N4 balls is 1.209 at 1000 ,exhibits good wear performa
10、nce.Keyword:abradable/environmental barrier coating;air plasma spraying;process parameter;microstructure and property0 引言陶瓷基复合材料(Ceramic Matrix Composite，CMC)具有耐高温、低密度、高比强度/比模量等一系列性能优势，是先进航空发动机热端部件的理想材料1-2。美国 GE 公司采用 SiCf/SiC 复合材料成功制备出涡轮外环、隔热屏、燃烧室内衬和导向叶片等构件，其重量仅为同类高温合金构件的 1/3，冷却空气量降低 2050%，大幅度提高了发动机
11、的燃油效率3。然而，在复杂高温燃气环境中，CMC 构件服役性能因水蒸气-氧气耦合腐蚀而急剧衰退，在其表面制备耐高温、长寿命环境 障 涂 层(Environmental Barrier Coatings，EBC)是保障 CMC 构件服役稳定性与可靠性的重要途径5-6。对于 CMC 涡轮外环而言，其在服役过程中面临叶片叶尖等转子部件的刮擦磨损，容易造成机匣及叶片的损伤，这要求 CMC 涡轮外环表面环境障涂层还需要具备可磨耗封严功能，以实现最小气路间隙和最低叶片磨损，进而提高发动机整体效率并降低油耗6。目前，常见的 MCrAlY金属基可磨耗封严涂层在 1050以上出现烧结硬化和局部脱落现象，导致其对
12、叶片磨损严重；而YSZ 陶瓷基可磨耗封严涂层热膨胀系数与 CMC基体差异较大，涂层内部由于热应力积累而过早失效7。因此，亟需开展适用于 CMC 构件的新型可磨耗封严涂层材料体系研究。BSAS(BaO-SrO-Al2O3-SiO2)具有较低的 SiO2活度(0.1)、较高的使用温度(1300 )和与CMC 匹配的热膨胀系数(单斜相 BSAS 的 CTE约为 45.110-6K-1)，是第二代 EBC 主要材料8-9。Solar turbines 公司在发动机燃烧室部件上考核了BSAS 环境障涂层体系的有效性，在 1200 发动机燃气腐蚀条件下，该涂层经历 13937h(包含 59次启停循环)未发
13、生失效10。通过向 BSAS 中添加一定数量的润滑相和造孔相，以及调控 BSAS涂层制备工艺参数，有望解决新一代航空发动机CMC 涡轮外环表面环境障/可磨耗一体化涂层的迫切需求。本文采用大气等离子喷涂技术制备 BSAS 基可磨耗环境障涂层，通过正交试验方法分析喷涂电流、氩气流量、氢气流量、载气流量对涂层显微组织结构、力学性能和摩擦磨损性能的影响，以期掌握主要喷涂工艺参数与涂层微结构和性能之间的关联规律，为后续研究 BSAS 基涂层高温可磨耗性能奠定基础。1 实验材料与方法1.1 基体材料喷涂所用基体材料为-SiC 陶瓷块材，尺寸为 10 mm10 mm4 mm，喷涂前将基体放入丙酮中超声波清洗
14、 20 min 并烘干，然后对基体进行喷砂处理。1.2 喷涂粉末涂层由 Si/BSAS+Mullite/BSAS+聚酯(BSAS+P)三层结构组成，其中Si层采用市售熔融破碎硅粉，粒度为 30 m 100 m。BSAS 粉末采用烧结破碎法获得，具体成分为 Ba0.75Sr0.25Al2Si2O8，粒径为20 m 80 m；将其与烧结破碎制得的 Mullite 粉末按20%：80%重量比机械混合随后进行固相烧结，得到 BSAS+Mullite 混合粉末。BSAS+P 粉末由两者机械混合而成，粉末粒径在 10 m 100 m 之间。等离子喷涂工艺参数对 BSAS 基可磨耗环境障涂层组织性能影响 4
15、4 热 喷 涂 技 术 15 卷1.3 涂层制备采 用 Multicoat 等 离 子 喷 涂 系 统，按 照 表1 中参数在 SiC 基体表面依次制备 Si 粘结层和BSAS+Mullite 中间层。在制备 BSAS+P 面层过程中，选取喷涂电流、氩气流量、氢气流量和载气流量这个 4 个主要因素进行正交工艺试验，每个因素取 3 水平，建立 4 因素 3 水平正交试验方法，具体喷涂参数及试验结果如表 2 所示。对沉积态涂层在大气环境下进行热处理，热处理温度为 1150，保温时间为 8h。表 1 等离子喷涂 Si 和 BSAS+Mullite 工艺参数Table 1 Deposition par
16、ameters of Si and BSAS+Mullite coatings by APS表 2 正交试验设计及结果Table 2 Design and Results of orthogonal experimentMaterialCurrent(A)Voltage(V)Ar(NLPM)H2(NLPM)Carrier Gas(NLPM)Spray Distance(mm)Si420494063120BSAS+Mullite550584563120实验号I(A)Ar(NLPM)H2(NLPM)Carrier Gas(NLPM)孔隙率(%)硬度(HR45Y)150035 6 2.51658.2
17、2500 40 83.5 14.165.43500 45 10 4.5 12.969.64550 358 4.58.580.15550 40 10 2.513.764.76550 45 6 3.5 15.959.87600 35 10 3.5 5.484.08600 40 6 4.5 12.573.19600 45 8 2.5 13.861.61.4 性能检测利用热喷涂粒子监测仪(DPV-Evolution，Tecnar 公司)对粒子在等离子射流中的温度、速度数据进行采集。采用 Quanta 200F 型场发射扫描电子显微镜观察涂层表面和截面形貌，利用Image J 软件测试涂层截面孔隙率，在
18、 100 倍图像下选择 5 个视场进行测量。采用 HSRD-45 型电动表面洛氏硬度计测量涂层表面硬度，对于同一样品，至少选取 10 个位置进行测试。按照 HB5476-1991 中的要求制备涂层试样，采用 Instron 电子万能材料试验机测试涂层结合强度。采用 UMT-TriboLab 多功能摩擦磨损试验机测试 BSAS+P 涂层的摩擦磨损性能。测试条件如下：测试温度为1000，对偶球为直径6 mm的Si3N4球，载荷2.5N，冲程 5 mm，频率 5Hz，时间 30 min。采用公示(1)计算涂层磨损率，一般情况下，试验条件相同时，摩擦系数和磨损率数值越小，涂层可磨耗性能越好。K=V/2
19、Fdft(1)其中，K 为磨损率，V 为试样摩擦磨损总体积(通过探针接触式轮廓仪计算)，F 为载荷，d为冲程，f 为频率，t 为时间。第 2 期 45 表 3 孔隙率极差分析结果Table 3 Range Analysis Results of PorosityIArH2Carrier Gas孔隙率(%)K143.029.944.443.5K238.140.336.435.4K331.742.632.033.9k114.310.014.814.5k212.713.412.111.8k310.614.210.711.3极差 R13.8 4.2 4.1 3.2 主次因素BCAD2 结果与分析2.1
20、 喷涂工艺参数对涂层孔隙率的影响表 3 是不同工艺参数制备的 BSAS+P 涂层的极差分析结果。电流、氩气流量、氢气流量和载气流量对应 BSAS+P 涂层孔隙率的极差 R1 分别为 3.8、4.2、4.1 和 3.2。因素的极差值与该因素在试验中的作用效果成正比：极差大的因素为主要因素，极差小的因素为次要因素。因此，影响BSAS+P 涂层孔隙率的因素从大到小依次为：氩气流量氢气流量电流载气流量。图 1 是 BSAS+P 涂层四个因素与孔隙率的效应曲线图。由图可知：(1)随着喷涂电流的增加，涂层孔隙率呈现逐渐降低的趋势。电流强弱与喷枪中等离子射流温度密切相关。当电流较小时，等离子射流温度较低。由
21、于 BSAS 粉末的熔点较高(1650 )以及陶瓷材料热导率较低11，喷涂过程中难以充分熔融，多数粉末处于半熔化状态，即粉末表层为液态，而内部仍是固态。这部分粉末在基体表面平铺形成薄层的过程中发生不充分且不规则变形，周围粉末变形后与其搭接不充分，导致涂层中存在较多孔隙12。当电流较大时，等离子射流处于较高温度，有利于提高粉末颗粒熔化效果，因而涂层孔隙率较低。(2)随着氩气流量的增加，涂层孔隙率呈现逐渐增大的趋势。氩气作为产生等离子体的主要气体，其流量大小直接影响等离子射流的热晗和流速。在一定范围内增加氩气流量，能够提高等离子射流的刚性13，即提高粉末颗粒在射流中的温度和速度，进而提高粉末颗粒的
22、熔化程度，获得致密度较高的涂层。但当氩气过量时，粉末颗粒速度过快，其在等离子射流中停留时间短，导致熔化效果变差。大量半熔化颗粒撞击在基体表面，使涂层内部存在较多孔隙和裂纹，因此孔隙率增加。(3)随着氢气流量的增加，涂层孔隙率呈现逐渐降低的趋势。氢气具有焓值高、密度低和导热系数高等特点，是等离子喷涂中最常用的次级气体。氢气流量越高，对粉末颗粒输入能量越大，粉末熔化更加充分，在基体表面平铺变形效果越好，故涂层内部孔隙较少。(4)随着载气流量的增加，涂层孔隙率同样呈现逐渐降低的趋势。在一定范围内提高载气流量能够使进入等离子射流中的粉末颗粒数量增多，进而提高涂层沉积效率和致密性，故涂层孔隙率降低。等离
23、子喷涂工艺参数对 BSAS 基可磨耗环境障涂层组织性能影响 46 热 喷 涂 技 术 15 卷图 1 喷涂工艺参数对孔隙率影响趋势：(a)电流；(b)氩气流量；(c)氢气流量；(d)载气流量Fig.1 The influence trend of spraying process parameters on porosity:(a)current;(b)argon flow;(c)hydrogen flow;(d)carrier gas flow2.2 喷涂工艺参数对涂层硬度的影响表 4 是不同工艺参数制备的 BSAS+P 涂层硬度的极差分析结果。电流、氩气流量、氢气流量和载气流量对应 BSA
24、S+P 涂层硬度的极差 R1 分别为 8.5、10.4、9.1 和 12.8。由表 4 可知，影响BSAS+P 涂层硬度的因素从大到小依次为：载气流量氩气流量氢气流量电流。值得注意的是，在保证结合强度的前提下，可磨耗涂层的表面硬度应尽可能的低，以确保涂层与转子叶片之间具有良好的对磨匹配性。(a)(c)(b)(d)表 4 硬度极差分析结果Table 4 Range Analysis Results of Rockwell HardnessIArH2Carrier Gas洛氏硬度(HR45Y)K1193.2222.3191.1184.5K2204.6203.2207.1209.2K3218.719
25、1218.3222.8k164.474.163.761.5k268.267.769.069.7k372.963.772.874.3极差 R8.5 10.4 9.1 12.8 主次因素DBCA第 2 期 47 图 2 喷涂工艺参数对洛氏硬度影响趋势：(a)电流；(b)氩气流量；(c)氢气流量；(d)载气流量Fig.2 The influence trend of spraying process parameters on Rockwell Hardness:(a)current;(b)argon flow;(c)hydrogen flow;(d)carrier gas flow图 2 是 BS
26、AS+P 涂层四个因素与洛氏硬度的效应曲线图，由图可知，四个因素对涂层表面硬度的影响趋势与对孔隙率的影响趋势相反，这也与表2中孔隙率越大，硬度越低的实验结果相符。具体而言，电流、氢气流量、载气流量与涂层表面硬度成正比，氩气流量与涂层表面硬度成反比。电流增加有利于提高等离子射流温度，而氢气流量增加则能够提高喷涂功率，充分熔融的粉末在基体表面平铺变形效果好，涂层质量提高，因此硬度较高。与之相反的是，氩气流量的增加会造成粉末飞行速度过快，粉末在射流中熔化效果变差，涂层中包含大量半熔/未熔颗粒，导致涂层粗糙度较高，进而表面硬度降低。(a)(c)(b)(d)需要指出的是，BSAS+P 涂层在实际服役条件
27、下与 DD6 单晶叶片叶尖发生刮擦磨损，由于DD6 单晶合金的表面硬度为(93.51.0)HR45Y，因 此 BSAS+P 涂 层 的 表 面 硬 度 应 控 制 在 70 HR45Y 以下，以确保涂层和转子叶片之间具有良好的对磨匹配。2.3 不同工艺参数下粒子的飞行特性粉末粒子在等离子射流中的表面温度和飞行速度与喷涂工艺参数密切相关。本试验在进行等离子喷涂时，同时对 BSAS+P 粉末在等离子射流中的温度和速度进行测试和统计，以便于从根本上理解工艺参数对涂层组织性能的影响。等离子喷涂工艺参数对 BSAS 基可磨耗环境障涂层组织性能影响 48 热 喷 涂 技 术 15 卷图 3 是 BSAS+
28、P 粒子在等离子射流中的速度和温度分布。由图可知，在实验设定的 9 种工艺参数中，BSAS+P 粒子的平均温度在 1812 2141 之间，平均速度在 211 m/s261 m/s 之间。由于 BSAS 材料的熔点约为 1600，因此，从理论上看，BSAS+P 粒子在这 9 种工艺参数下都可以获得较好的熔化效果。然而，粒子实际熔化效果还取决于其在等离子射流中的飞行速度。由表可知，飞行速度较大的粒子(261 m/s，260 m/s，254 m/s)的表面温度较低(1884，1885 和 1912 )。图 3 BSAS+P 粒子速度和温度统计Fig.3 Velocity and Temperatu
29、re Statistics of BSAS+P Particles这是由于飞行速度快的粒子在等离子射流中停留时间短，加热不充分所造成。此外，粒子熔化效果还与载气流量有关。当载气流量过低时，等离子射流中粒子烧损严重，尽管表面处于较高温度，但却极大影响沉积效率；而载气流量过高同样会导致单个粒子加热不充分，因此表面温度较低。值得注意的是，DPV 测量的是粒子的表面温度，由于 BSAS 材料的热导率较低以及喷涂过程时间较短，即便是表面温度超过其熔点，粉末内部仍有可能处于未熔化状态。图 4 是 9 种喷涂工艺参数下的 BSAS+P 粒子分布测试结果，反映的是在单位时间内通过测试面的 BSAS+P 粒子数
30、量。可以看到，大部分粉末集中在火焰的中心区域，但不是呈轴对称分布。工艺参数 1 可探测到的 BSAS+P 粒子数量最少，约为 5260 个/秒，原因在于该参数对应的喷涂电流、氩气流量、氢气流量和载气流量较低，进入等离子射流的粉末数量有限且无法充分加热加速。同时，粉末集中区域面积较小，表明射流周边的BSAS+P 粒子向外发散损失较多，此时沉积效率低，且大量粒子不在火焰影响范围内，不利于涂层形成。工艺参数 7 可探测到的 BSAS 粒子数量最多，约为56968个/秒，这与喷涂功率、氩气流量、氢气流量和载气流量的增加有关。(a)(d)(b)(e)(c)(f)第 2 期 49 图 4 9 种工艺参数下
31、 BSAS+P 粒子数量分布Fig.4 The quantity distribution of BSAS+P particles under nine process parameters图 5 为在不同工艺参数下的 BSAS+P 粒子温度、速度分布图，体现通过测试面的 BSAS+P 粒子温度和速度分布趋势。由图可知，9 种工艺对应的粒子最高速度均在 220 m/s 以上，氩气流量为 45NLPM 时，粒子具有较高的飞行速度(270 m/s 左右)，这与文献报道的结果相符12。对温度分布而言，工艺 1-3 中粒子温度较低的原因在于喷涂电流较小导致等离子射流温度低，粉末熔化不充分。而工艺 6
32、和工艺 9 中较低的粒子温度则是粒子飞行速度过快，在等离子射流中加热时间短导致的。此外，粒子最高温度并不是分布在火焰中心区域，这是因为绝大多数粒子集中在射流中心，单个粒子接受的平均热量较低，而射流边缘的粒子数量较少，因而受热更加充分。(a)(b)(c)(g)(h)(i)等离子喷涂工艺参数对 BSAS 基可磨耗环境障涂层组织性能影响 50 热 喷 涂 技 术 15 卷(d)(e)(f)(g)(h)(i)图 5 9 种工艺参数下 BSAS+P 粒子温度、速度分布Fig.5 Temperature and Velocity Distribution of BSAS+P Particles under
33、 Nine Process Parameters2.4 不同工艺参数下涂层形貌特征图 6 是不同工艺参数下等离子喷涂 BSAS+P涂层表面形貌。可以看到，涂层表面较为粗糙且呈现两种不同的形貌特征：(1)光滑平整表面，是由于粉末颗粒在等离子射流中完全熔化，高速撞击基体后变形、连接和堆叠形成；(2)凹凸不平的粗糙表面，与等离子射流中的半熔甚至未熔颗粒有关。其中，工艺 1-3 中涂层表面的半熔颗粒主要是喷涂功率低，粒子受热不充分产生，而工艺9 中涂层表面的半熔颗粒则主要是粒子飞行速度第 2 期 51 图 6 9 种工艺参数下 BSAS+P 涂层表面形貌Fig.6 Surface morphologi
34、es of BSAS+P coatings under Nine Process Parameters快，在射流中受热时间短所导致。此外，所有涂层表面都观察到一定数量的孔洞，孔洞主要源于以下三个方面：(1)部分熔化粉末沉积时发生不规则且不均匀变形，与周围变形粉末搭接不充分；(2)熔化颗粒快速凝固时内部被卷入的环境气体未及时全部溢出14；(3)造孔相聚酯的加入。前两者是等离子喷涂制备涂层的固有特征，后者的作用在于通过提高涂层孔隙率降低涂层硬度、缓解涂层应力，进而达到提高涂层可磨耗性能的目的。100 m100 m100 m100 m100 m100 m100 m100 m100 m(a)(b)(c
35、)(d)(e)(f)(g)(h)(i)图 7 是不同工艺参数下等离子喷涂 BSAS+P涂层截面形貌。可以看到，BSAS+P 面层呈典型的热喷涂层状结构，内部存在两种尺寸的孔洞：(1)尺寸相对较小的孔洞由半熔或未熔粒子堆垛导致；(2)尺寸相对较大的孔洞则来源于等离子喷涂以及后续热处理过程中聚酯的烧失或挥发。除孔洞外，BSAS+P 面层内部还观察到少量垂直于基体方向的裂纹，该类裂纹的产生与熔融粉末凝固过程中产生的内应力以及 BSAS 由非晶相到六方相再到单斜相的相变有关15。通过综合分析喷涂工艺参数、涂层孔隙率数值与涂层表面、截面形貌可知，除造孔相烧损产生的孔洞外，工艺 1-2 中涂层较高的孔隙率
36、来源于涂层内部大量半熔颗粒之间的间隙，而工艺 6中涂层孔隙率较高则是因为氩气/氢气比值过高，射流对粉末颗粒输入能量不足且粉末颗粒飞行速度过快，同样会导致涂层内部存在较多数量的半熔颗粒。与之形成鲜明对比的是，在氩气/氢气等离子喷涂工艺参数对 BSAS 基可磨耗环境障涂层组织性能影响 52 热 喷 涂 技 术 15 卷图 7 9 种工艺参数下 BSAS+P 涂层截面形貌Fig.7 Surface morphologies of BSAS+P coatings under Nine Process Parameters比值较低的工艺 4 和工艺 7 中，涂层的孔隙率维持在较低水平。尽管半熔颗粒的引入
37、有利于增加涂层孔隙率，进而提高可磨耗性能，但却会显著降低涂层层间的结合强度。表 5 为涂层结合强度测试结果，可以看到，采用工艺 1、2、6 制备的涂层与基体结合强度较低，其内部未熔/半熔颗粒间的间隙为薄弱点，导致涂层拉伸时容易沿层间断裂。而工艺 4 和 7 制备的涂层粉末熔化程度更高，熔融粉末平铺变形充分，涂层内部缺陷少，因此具有较高的结合强度。(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)(h)(i)2.5 涂层高温摩擦磨损性能摩擦系数能够体现接触表面微凸起区域接触状态的动态演化过程16。由 2.2 和 2.4 可知，BSAS+P涂层表面硬度需控制在70 HR45Y以内，同时与基体结合良好。因此
38、，对采用参数 3、5、9 制备的涂层进行摩擦磨损性能测试。此外，采用工艺参数 7 制备的涂层具有最高的硬度，因此也对其进行摩擦磨损性能测试作为对比。100 m100 m100 m100 m100 m100 m100 m100 m100 m表 5 涂层抗拉结合强度(MPa)Table 5 Bonding Strength of the coatings(MPa)123456789结合强度10.111.216.422.620.412.724.113.415.4第 2 期 53 表 6 不同涂层摩擦磨损实验结果Table 6 Range Analysis Results of Surface Rou
39、ghness工艺参数摩擦系数磨损率(mm3/Nm)31.21.2610-251.29.7610-372.01.9310-291.61.7710-23 结论及展望3.1 结论采用等离子喷涂技术制备 BSAS+P 可磨耗环境障涂层，分别研究喷涂电流、氩气流量、氢气流量和载气流量对涂层组织性能的影响规律，得到如下结论：(1)在一定范围内，提高喷涂电流(500 A 600 A)、氢气流量(6 NLPM 10 NLPM)和载气流量(2.5 NLPM 4.5 NLPM)，有利于提高粉末颗粒熔化程度，使其在基体表面平铺变形效果好，所得涂层具有合适的孔隙率和表面硬度。(2)随氩气流量增加(35 NLPM 45
40、 NLPM)，粉末颗粒飞行速度过快，其在等离子射流中停留时间短，熔化效果变差，导致涂层孔隙率增加、表面硬度降低。(3)涂层内部大尺寸孔洞是由于等离子喷涂或后续热处理过程中聚酯的烧损所造成，小尺寸孔洞来源于半熔或未熔颗粒之间的间隙，是涂层结合强度低的主要原因。(4)等离子喷涂 BSAS+P 涂层最佳工艺参数为：喷涂电流 550A、氩气流量 40 NLPM、氢气流量 10 NLPM、载气流量 2.5 NLPM，得到涂层孔隙率为 13.7%，表面硬度为 64.7 HR45Y。采用上述工艺参数制得的涂层，与基体结合强度较高，并且在 1000 下与 Si3N4球间的平均摩擦系数为1.2，具有较好的可磨耗
41、性能。3.2 展望BSAS 体系具有与 CMC 基体热膨胀系数适配、弹性模量低、SiO2活性低等特点，可在1250以下长期稳定使用，是 CMC 涡轮外环表面环境障可磨耗涂层重要候选材料。本文通过向BSAS 中加入一定数量的聚酯以及调整喷涂工艺参数，初步实现涂层组织性能优化调控。后续还需对造孔相和润滑相种类、含量等进行进一步筛选优化，以及对涂层在高温高速刮擦条件下的损伤机制开展系统研究，为 CMC 涡轮外环表面长寿命环境障可磨耗涂层的发展提供技术支持。参考文献1 Corman G S,Luthra K L.Corman G S,et al.Development History of GEs P
42、repreg Melt Infiltrated Ceramic Matrix Composite Material and Applications M.Reference Module in Materials Science and Materials Engineering,2017.2 刘巧沐，黄顺洲，何爱杰碳化硅陶瓷基复合材料在航空发动机上的应用需求及挑战 J材料工程，2019,47(2):1-10(下转 61 页)等离子喷涂工艺参数对 BSAS 基可磨耗环境障涂层组织性能影响表6为4种工艺制备的BSAS+P涂层在1000 下摩擦系数和磨损率测试结果。由表 6 可知，采用工艺参数5制
43、备的涂层摩擦系数和磨损率最低，这是因为该工艺制备的涂层具有合适的孔隙率、洛氏硬度；采用工艺参数 7 制备的涂层摩擦系数和磨损率最高，这与其过高的洛氏硬度有关。值得注意的是，尽管采用工艺 3 和工艺 9 制备的涂层的摩擦系数相对较低，但却表现出较高的磨损率。其中，工艺 3 中涂层较高的磨损率源于其较高的表面粗糙度(18 m)，这将会显著增大摩擦初始阶段的磨损体积；而工艺 9 中涂层较高的磨损率是其内部较多的未熔颗粒导致，未熔颗粒降低了涂层的层间结合力，从而增大摩擦过程涂层磨耗。第 2 期 61 Sinica(English Letters),2021,34:1007-1020.11 Das S,
44、Fuesting T P,Danyo G,et al.Direct laser fabrication of superalloy cermet abrasive turbine blade tipsJ.Materials&Design,2000,21(2):63-73.12 DeMasi-Marcin J T,Gupta D K.Protective coatings in the gas turbine engineJ.Surface and Coatings Technology,1994,68:1-9.13 Liu Y D,Sun J,Pei Z L,et al.Oxidation a
45、nd hot corrosion behavior of NiCrAlYSi+NiAl/cBN abrasive coatingJ.Corrosion Science,2020,167:108486.14 黄凌峰,刘建明,王帅,等.复合电镀技术及应用的发展趋势 J.热喷涂技术,2019,11(3):1-6.15 孙志华,刘佑厚,张晓云,等.钛及钛合金的电镀工艺述评 J.腐蚀与防护,2005,26(11):493-496.16 Turner W.Electroplating of Titanium and Titanium-Base AlloysJ.Off.Gaz.,1983.17 Jingsh
46、uang Z,Zhelong Y,Maozhong A,et al.A new process of electroplating on titanium and titanium alloy for aerospaceJ.Transactions of the IMF,1996,74(1):25-27.3 陈文博(Gd0.9Yb0.1)2Zr2O7/Yb2SiO5/Si 热障/环境障复合涂层设计、制备与高温稳定性研究 D北京：北京航空航天大学，20224 左平，何爱杰，李万福，等连续纤维增韧陶瓷基复合材料的发展及在航空发动机上的应用 J燃气涡轮试验与研究，2019,32(5):47-525
47、Smialek J L,Robinson R C,Opila E J,et al.SiC and Si3N4 recession due to SiO2 scale volatility under combustor conditions J.Advanced Composite Materials,1999,8(1):33-45.6 王涛，陈思宇，孟琨，等航空发动机机匣叶尖封严涂层结构设计及制备研究进展 J中国表面工程，2022,36(1):1-117 程旭莹，于月光，沈捷，等陶瓷基高温封严涂层研究现状 J热喷涂技术，2022,14(1):1-78 Fan X Z,Huang W Z,Li
48、u H T.Bond stability and oxidation resistance of BSAS-based coating on C/SiC composites J.Surface and Coatings Technology,2017,309:35-46.9 Lee K N,Zhu D M,Lima R S.Perspective on environmental barrier coatings(EBCs)manufactured via air plasma spray(APS)on ceramic matrix composites(CMCs):a tutorial p
49、aper J.Journal of Thermal Spray Technology,2021,30:40-58.10 Kimmel J,Miriyala N,Price J.Evaluation of CFCC liners with EBC after field testing in a gas turbine J.Journal of the European Ceramic Society,2022,22(1):2769-2775.11 焦春荣，王玲，杨金华，等等离子喷涂 BSAS 环境障涂层性能研究 J中国材料进展，2016,35(6):466-47112 唐荣荣等离子喷涂 8YS
50、Z 热障涂层的性能及工艺参数研究 D镇江：江苏大学，201913 黄付友，薛朝露，黄文，等喷涂工艺参数对等离子喷涂 CoCrAlTaY-Al2O3涂层的微观组织结构和力学性能的影响 J热喷涂技术，2019,11(4):38-4714 叶云，刘敏，易丹青，等低压等离子喷涂 YSZ 热障涂层的组织结构 J材料科学与工程学报，2007,25(4):630-63315 Daniel Tejero Martin C B,Tanvir Hussain.A review on environmental barrier coatings:History,current state of the art an
