功能梯度涂料的关键综述: 方法、性能和挑战（1）( 三 ) _机械

氧化铝（Al2O3）和氧化锆（ZrO2）不固溶，尽管它们在高等离子喷涂水平的熔融环境中均匀混合。复合界面足够宽，以在热喷涂过程的温度下引起涂层零件的轻微熔化和结构部件的氧化。在这些预混合ZrO2-NiCrAIY颗粒的实施中，由于残余应力的降低， FGC层的键合一致性大大优于具有相同厚度的双相层。通过等离子喷涂使用这些球状粉末混合物的好处是具有一些特性，如更高速率的沉积水平、更好的形状稳定性、均匀的熔化特性和涂层厚度。声发射技术有助于设计者理解导致界面断裂的埋藏深缺陷的基本原理。测量结果表明，由于材料性能的逐渐变化，具有梯度行为的多层膜的热应力抗力显著提高。因此，中间层的数量越多，热冲击保护就越大，产生的宏观裂纹体积就越小，从而延长寿命。图3b显示了氧化锆基涂层的各种性能的示意图。
由于具有相同厚度的五层涂层的分级表面的数量，粘结稳定性和热循环阻力大大提高。这些层也归因于残余应力分布的减少。功能梯度五层涂层的结合能力大约是双涂层的两倍，并且随着涂层厚度的增加而降低。 TBC工艺的效率和氧化防护受到氧化铝层的引入和可控残余张力的影响。与氧化锆相比，氧化铝具有更高的热导率，因此认为具有薄梯度行为的氧化铝层的热障性能不会受到显著影响。图4描绘了通过改进FGC的陶瓷粉末的各种加工条件的示意图。

图4 不同工艺条件下陶瓷粉末的布局，以提高FGC性能。
在镍基和钴基合金上用等离子转移弧处理制备的涂层具有优异的耐蚀性和耐磨性。镀层几乎不依赖于镍基和钴基合金形成的化合物，这有助于提高耐磨性和耐腐蚀性。通过连续应用混合粉末层来构建硬表面。成分级配的增加导致水平裂纹容限的提高，同时伴随着热机械性能从TBC到基板的变化。图5显示了在热冲击载荷下水平裂纹的形成。给定峰值表面温度的水平裂缝终点随着成分级配的增加而降低。具有等效热阻的TBC评估导致热冲击载荷下界面开裂阻力增加。通过扫描电子显微镜（SEM）和电子探针显微镜分析（EPMA）研究，氧化镁-氧化锆与粘结层的TBC清楚地表明，涂层中的形貌和浓度最终发生了变化。铬和铝成分集中在喷雾的边界上，有助于产生氧化物。透射电子显微镜（TEM）观察促进了晶界之间的厚位移和孪晶畸变，以及Al和Cr的氧化物发展。在Ti–6Al–4V基材上，制备了功能梯度磷酸钙涂层，发现不同涂层水平之间的粘结强度显著高于梯度层与基材之间的粘附稳定性。
图5 热循环试验后水平裂纹形成的显微照片。
氧化铬和25%镍铬与粘结层的结合表明，这些涂层的成分和机械强度导致了精细紧凑的结构。通过添加梯度层或降低碳化物颗粒密度，提高了这些涂层的抗热震性。然后通过增加Cr3C2的含量来提高这些涂层的显微硬度。镍钴铬铝钇合金粉末（NiCoCrAlY）分子的混合物进入固化的NiCoCrAlY ，使splat充分润湿，观察到固化的YSZ splat在YSZ splat的底部润湿性较低。通过等离子炬产生的NiCoCrAlY/YSZ梯度层产生了氧化铝与锆的无裂纹层组成，其结合强度优于双相层，抗拉强度约为9–18 MPa 。这种梯度层压板的后处理降低了层中的残余应力，并改善了粘附性能。
根据材料和加工环境，热喷涂过程中涂层中产生的残余应力可能具有广泛的内部强度和分布。由于残余应力在粘接涂层中具有重要作用，因此需要正确评估其影响。残余应力是指在没有外力或温度梯度的情况下留在物品中的残余应力，在某些情况下，残余应力会引起显著的塑性变形，从而导致物品变形。通常出现的各种类型的残余应力，如i）宏观应力，其在性质上是长期的，并分布在材料的几个晶粒上。 ii）晶间应力，其在晶粒尺度上变化。 iii）原子尺度应力，其是由于界面和位错应力场的相干性而产生的应力。残余应力影响材料的机械行为，并决定其在热载荷、机械载荷和其他形式载荷下的性能，这些载荷可能导致脆性断裂、疲劳应力和疲劳断裂。热喷涂涂层中的残余应力有两个主要根源，得到广泛认可。 i）单个熔融颗粒加热基板，并在沉积的初始步骤中固化。由于基质和相邻颗粒的存在，不可能完全收缩。该过程产生残余应力，称为“淬火应力” 。 ii）涂层冷却是喷涂的第二阶段。热膨胀系数的不匹配以及涂层和基材之间的温差会导致冷却应力。图6所示为热喷涂涂层中残余应力状态的示意图。

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