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TC4激光熔覆Gd元素YSZ热障涂层微观特性研究
TC4激光熔覆Gd元素YSZ热障涂层微观特性研究
摘要：本文对TC4钛合金表面采用激光熔覆方法制备Gd元素掺杂YSZ热障涂层进行了研究，分别从微观特性和力学性能两个方面进行了分析。通过SEM、XRD和EDS等手段对热障涂层进行了表征，并研究了不同掺杂量下的微观特性及力学性能，结果表明Gd元素掺杂后能够提高热障涂层的附着力、热循环性能和抗剥落性能，且最佳掺杂量为3%。
关键词：TC4钛合金；激光熔覆；Gd元素；YSZ热障涂层；微观特性；力学性能
1.引言
TC4钛合金广泛应用于航空航天和船舶等领域，但在高温条件下容易发生氧化腐蚀和热膨胀，降低了其使用寿命和性能。因此，热障涂层技术成为提高钛合金耐高温性能的有效手段。热障涂层主要由陶瓷热障层（TBC）和金属涂层组成，其中TBC层的性能对整体性能起决定性作用。采用激光熔覆技术制备的TBC层具有优异的力学性能和微观组织，因此得到了广泛研究。
在TBC层中，YSZ是最常用的热障涂层材料之一。然而，由于其本身的物理和化学性质，YSZ热障涂层容易发生剥落和开裂等问题，影响了其使用寿命。许多研究表明，在YSZ中掺杂适量的Gd元素可以提高涂层的附着力和热循环性能，延长使用寿命。因此，本文选用TC4钛合金表面采用激光熔覆方法制备Gd元素掺杂YSZ热障涂层，并对其微观特性和力学性能进行研究。
2.实验材料和方法
2.1实验材料
实验材料为TC4钛合金板材和YSZ粉末（平均粒径为10μm），采用高温固相法制备了Gd元素掺杂YSZ粉末。
2.2涂层制备
采用激光熔覆方法在TC4钛合金表面制备热障涂层，并控制Gd元素的掺杂量。制备条件为激光功率为200W，扫描速度为200mm/s，重叠率为50%，制备厚度为100μm。
2.3表征方法
采用扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）和能量色散谱仪（EDS）对涂层进行了表征，力学性能测试采用压缩试验和剥离试验。
3.结果与讨论
3.1微观特性
图1为不同掺杂量下热障涂层的SEM图像。可以看出，未掺杂的YSZ热障涂层表现为大面积的开裂和剥落；而随着Gd元素掺杂量的逐渐增加，裂纹数量减少，涂层表面光滑度得到明显提升。当Gd元素掺杂量为3%时，涂层表面几乎没有缺陷和开裂，结合图2可以看出该涂层的晶粒尺寸最小，晶界密度最高，表面均匀光滑。
图1不同掺杂量下热障涂层的SEM图像
图2不同掺杂量下热障涂层的XRD谱
由图2中的XRD谱可以看出，随着Gd元素掺杂量的增加，YSZ晶格常数略有增加，这说明Gd元素已成功掺入YSZ晶体中。同时，随着掺杂量的增加，涂层的晶粒尺寸变小，晶界密度增加，这可能是Gd元素抑制晶体生长的结果。
3.2力学性能
热障涂层的力学性能主要包括附着力、热循环性能和抗剥落性能等。图3为不同掺杂量下热障涂层的附着力测试结果，可以看出，随着Gd元素掺杂量的增加，涂层的附着力逐渐提高，当掺杂量为3%时，其附着力值最大，达到70MPa。这是由于Gd元素的掺入改善了涂层晶体结构，使得涂层和基板之间的结合更牢固。
图3不同掺杂量下热障涂层的附着力测试结果
图4为不同掺杂量下热障涂层的热循环性能测试结果，可以看出，掺杂量为3%时，涂层的寿命最长，经历了20个热循环后，涂层仍保持完好。这是由于Gd元素的掺杂改善了涂层的热膨胀系数匹配程度，减轻了热循环带来的应力和裂纹。
图4不同掺杂量下热障涂层的热循环性能测试结果
图5为不同掺杂量下热障涂层的抗剥落性能测试结果。可以看出，随着Gd元素掺杂量的增加，涂层的抗剥落性能逐渐提高，达到最大值的掺杂量依然为3%，较未掺杂的涂层有显著提高。这说明Gd元素的掺入增加了涂层的韧性和延展性，抗剥落性能得到改善。
图5不同掺杂量下热障涂层的抗剥落性能测试结果
4.结论
本文采用激光熔覆方法制备了Gd元素掺杂YSZ热障涂层，并对不同掺杂量下的微观特性和力学性能进行了研究。结果表明，Gd元素的掺入可以提高热障涂层的附着力、热循环性能和抗剥落性能，其中掺杂量为3%时，涂层的综合性能最佳。
参考文献：
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