18 中 国 表 面 工 程 2008年
等离子喷涂常规和纳米8YSZ热障涂层的性能
何 箐1，吕玉芬1，汪瑞军1，李 宏2
（1.北京金轮坤天特种机械有限公司 北京 100083； 2.空军驻北京地区军事代表室 北京 100061）
摘 要：分别采用了常规微米和纳米8YSZ粉末使用大气等离子喷涂系统进行热障涂层的制备，研究了涂层的结合强度、微观结构、常温热导率、折弯性能，试验结果表明：纳米涂层的结合强度要低于常规8YSZ涂层，但涂层的
热导率、弯曲性能均优于常规8YSZ涂层。
关键词：热障涂层；纳米8YSZ；等离子喷涂；涂层性能 中图分类号：TG174.442 文献标识码：A 文章编号:1007–9289(2008)06–0018–05
Properties of Thermal Barrier Coatings with Common and nano 8YSZ Powders
HE Qing1, LV Yv-fen1, WANG Rui-jun1, LI Hong2
(1.Beijing Golden Wheel Special Machine Co.,Ltd. Beijing, 100083；2. Air Force Representative office stationed at Beijing.
Beijing, 100061 China)
Abstract: The thermal barrier coatings were prepared by Air plasma spray with common and nano 8 % yttria stabilized
zirconia powders. The properties of these thermal barrier coatings were investigated, such as bond strength, thermal
conductivity, microstructure and bend property. The results show that the bond strength of thermal barrier coating with Nano
8YSZ powder is lower than that of the coating with common 8YSZ powder, but the thermal conductivity and bend property
are better than that of the coating with common 8YSZ powder.
Key words: thermal barrier coating; Nano 8YSZ; plasma spray; properties of the coating 0 引 言
随着燃气涡轮发动机涡轮前温度的不断提高，
高温合金的发展已经不能满足其服役工况要求，因
而热障涂层的使用成为必需。热障涂层的使用可以
降低传入基体的热量，可以提高基体使用温度和延
长基体使用寿命，并保护基体材料，提高基体材料
的抗高温氧化和腐蚀能力[1~3]。
目前应用最多的热障涂层材料是质量分数为
6%～8 %的氧化钇稳定氧化锆，由于其导热系数低，热膨胀系数高、熔点高、具有优异的抗腐蚀能
力和良好的力学性能，在TBCs体系中被广泛应用
[4~7]。尽管8YSZ材料存在高温相变和具有极限使
用温度等缺点，但迄今为止仍然没有一个单一材料
收稿日期：2008–07–07; 修回日期：2008–09–13
作者简介：何箐（1983–），男(汉)，助工，工学硕士。 的综合性能可以超过它，8YSZ仍然是使用最广
泛、最经典的热障涂层材料。
文中研究了常规8YSZ粉末和纳米团聚
8YSZ粉末的特性，并使用大气等离子喷涂系统分别制备热障涂层。对涂层的结合强度、微观结
构、常温热导率、热循环性能进行了系统的研究。
1 试验内容及方法
1.1 试验材料 使用IN718镍基高温合金材料作为力学性能
和微观结构分析等离子喷涂试样的基体材料，使
用高纯石墨棒作为比热容测试和热扩散系数测试
样品的基体材料，使用GH3030薄板作为涂层折
弯性能测试样品的基体材料。
使用NiCoCrAlTaY粉末作为打底层，使用
ST–8YSZ–15（Metco 204NS–G）中空粉末和第21卷第6期 中 国 表 面 工 程 Vol.21 No.62008年12月 CHINA SURFACE ENGINEERING December 2008第6期 何箐等：等离子喷涂常规和纳米8YSZ热障涂层的性能 19
HHZrO–12纳米团聚粉末作为陶瓷面层材料，分别进行涂层的制备。喷涂粉末的特征见表1。
1.2 等离子喷涂工艺 粉末的喷涂工艺试验使用DH–80等离子喷
涂系统，配备标准F4喷枪，喷涂工艺参数如表2
所示。
表1 喷涂粉末特性
Table 1 Properties of the powders for plasma spray
粉末 粒度范围/µm 制备方法
HHZrO–12 －75~+45 纳米粉喷雾干燥+轻度烧结（纳米团聚粉）
ST–8YSZ–15 －106~+11 Metco 204NS–G中空粉（等离子球化）
HHNiCoCrAlTaY–9 －100~+45 真空电极雾化
表2 等离子喷涂工艺参数
Table 2 Plasma spray parameter
涂层 主气/流量q/(L/min) 次气/流量q/(L/min)电流I/ A 电压U/V 喷涂距离/mm
打底层 Ar/41.7 0.25 590 67 130
面层 Ar/30 1.5 600 70 110
1.3 粉末及涂层物相、微观结构分析 使用普通扫描电镜和ZEISS SUPRA 55型场发
射扫描电镜分别对粉末和涂层形貌进行了分析。粉
末和涂层的相结构分析使用日本理学Dmax–RC旋
转阳极X射线衍射仪，40 kV，120 mA，Cu靶，λ
＝1.5405Ǻ，步进式扫描，速度为0.2º/min。
1.4 涂层性能分析 使用Instron材料试验机，根据国标GB/T
8642–2002的相关规定测试了涂层的结合强度。使用德国耐驰LFA427 /3 /G型激光导热性能测试仪
测试了陶瓷涂层的热扩散系数。使用差示扫描量热
仪（DSC）法对涂层的定压比热容进行了测试。 2 试验结果及分析
2.1 粉末特性分析 使用干筛分法对粉末粒度分布的检测结果如
图1所示。粉末粒度主要集中在30 µm～90 µm的
范围内，粉末粒度分布相对比较均匀，均呈高斯分
布。
粉末的显微形貌如图2所示，两种粉末均为球
形或近球形，粉末粒度分布均匀，没有破碎粒子的
出现。特别是ST–8YSZ–15粉末，经过等离子球化
后，粉末表面比较光滑；而HHZrO–12粉末由纳米
原粉经过喷雾干燥和煅烧后，保持了喷雾干燥后的
球形粒子状态，两种粉末均具有良好的流动性。
204060801000102030405060
PtilSi/ST-8YSZ-15
204060801000102030405060Weight /%
S/HHZrO-12
(a) ST–8YSZ–14粉末 (b) HHZrO–12粉末
图1 粉末的粒度分布
Fig.1 Size distribution curve of powders 颗粒尺寸/µm 颗粒尺寸/µm 质量分数/%
质量分数/% 20 中 国 表 面 工 程 2008年
(a) ST–8YSZ–15粉末 (b) HHZrO–12粉末 图2 粉末的显微形貌
Fig.2 The morphology of powders (a) ST–8YSZ–15 (b) HHZrO–12
2.2 等离子喷涂涂层性能分析 图3为粉末及涂层的相结构分析结果。两种
粉末均以四方相（T/T’ –ZrO2）和单斜相(M–ZrO2)两相存在，使用参比强度法分析粉末中单斜相的
含量， ST–8YSZ–15粉末中单斜相含量约为9.5
%，HHZrO–12纳米团聚粉末中单斜相含量约为
12 %。经过等离子喷涂后，所获得的涂层完全转变为四方相，说明粉末在喷涂过程中，粒子可以
被充分加热、升温，部分单斜相可完全转化为四
方相。
对涂层常温下的热导率进行了测试分析，分
别测试常温下涂层的密度（ρ）、定压比热容（Cp）
和热扩散系数（α），利用公式热导率K=αCpρ计算出涂层的热导率，结果见表3。
204060
80MM
2θ /degRelative intensity
FeedstockCoating
T/T'T/T'T/T'T/T'T/T'MMT/T'
20406080Relatice intensity
2θ/degT/T'T/T'T/T'T/T'T/T'
T/T'MMMCoating
Feedstock (a) ST–8YSZ–15粉末及涂层 (b) HHZrO–12粉末及涂层 图3 粉末及涂层的相结构分析
Fig.3 X–Ray diffraction pattern of powders and coatings (a) ST–8YSZ–15 (b) HHZrO–12
表3 涂层的热导率计算
Table 3 Thermal conductivity of the coatings
粉末 涂层密度ρ/(g.cm-3) 比热容Cp/（J.g-1.k-1）热扩散系数a/(10-6m2.S-1) 热导率K/(W.m-1.k-1)
ST–8YSZ–15 4.96 0.479 0.589 1.4
HHZrO–12 4.78 0.47 0.429 0.96
在常温下，纳米团聚粉末所制备的热障涂层热扩散系数和热导率明显低于常规8YSZ中空粉2θ/(°) 2θ/(°) 涂层涂层
粉末粉末 相对强度
相对强度