热障涂层表面腐蚀斑点的形成机理研究

热障涂层(Thermal Barrier Coatings,TBCs)已广泛应用于航空、航天和地面燃机等发动机热端部件和武器装备的防护。TBCs应用的基底材料种类繁多,常见的是镍基高温合金,还有碳钢、铜合金、铝合金、镁合金、复合材料等。氧化钇稳定化的氧化锆(Yttria Stabilized Zirconia,YSZ)涂层的常见颜色是白色和灰色,颜色决定于氧空位含量。TBCs产品的表面可能出现腐蚀斑点现象,特别是在高温潮湿环境下,腐蚀斑点出现机会多、现象更明显。腐蚀斑点的颜色取决于基底或粘结层材料,碳钢和铜合金产生棕色腐蚀斑点,镍基高温合金产生绿色腐蚀斑点,钴基高温合金产生浅红色腐蚀斑点,铝合金、镁合金、树脂则不会出现彩色腐蚀斑点。在镍基高温合金基底表面,依次用大气等离子喷涂(Atmospheric Plasma Spraying,APS)方法制备钴基高温合金粘结层(Bond Coat,BC)和纳米YSZ(n-YSZ)涂层,在自然环境下贮存一段时间后,部分产品的表面出现了大量腐蚀斑点。采用体式显微镜、扫描电镜(Scanning Electron Microscopy,SEM)和激光烧蚀-耦合等离子-质谱(Laser Ablation-Inductively Coupled Plasma-Mass Spectroscopy,LA-ICP-MS)方法证明,腐蚀斑点来源于BC的腐蚀产物。BC的主要成分是Ni、Co和Cr,在涂层制备过程中分别被氧化生成氧化物NiO、CoO和Cr_2O_3。YSZ粉末中含有大量残余的原料ZrOCl_2和YCl_3,在潮湿空气中水解产生HCl,将BC的氧化物溶解,便出现了Ni~(2+)(翠绿色)、Co~(2+)(浅红色)和Cr~(3+)(墨绿色)特有的颜色。

Formation Mechanism of Corrosion Spots on Thermal Barrier Coatings