等离子喷涂氧化钇稳定氧化锆涂层的分形特征与断裂韧性

付倩倩✉，通雁鹏

山西大同大学机电工程学院，大同 037000

✉通信作者, E-mail: fuqianqian716@163.com

热障涂层（thermal barrier coatings，TBCs）作为金属基体表面的防护涂层，使得航空发动机涡轮叶片的工作温度达到1300 ℃以上，极大地提高了航空发动机的热效率、抗腐蚀性能和使用寿命[1-2]。目前工程应用的热障涂层普遍采用双层结构，面层是以氧化钇稳定氧化锆（yttria-stabilized zirconia，YSZ）为主的陶瓷层，陶瓷层与基体之间为MCrAlY粘接层（M为过渡族金属Ni、Co或Ni与Co的混合）[3-4]。YSZ陶瓷表层的成型方法主要有普通大气等离子喷涂（atmospheric plasma spraying，APS）及电子束辅助物理气相沉积[5]。普通大气等离子喷涂由于成本低，微观结构中有大量层状孔隙，可显著降低材料热导率，被广泛应用[6-7]。

超音速大气等离子喷涂（supersonic atmospheric plasma spraying，SAPS）是近年发展起来的新型工艺，在传统非转移型等离子弧基础上通过对高压、高速等离子气体进一步强力压缩和加速从而获得高能量密度和加长扩展等离子弧。相对于传统大气等离子喷涂，超音速大气等离子喷涂熔融粒子的飞行速度得到极大提高，均在420 m/s以上，涂层结合强度和致密性都有所提高[8-10]。然而，等离子喷涂形成的涂层微观结构复杂，孔隙和微裂纹是其重要缺陷，这些孔隙和微裂纹形态与材料断裂韧性有紧密联系。目前表征等离子喷涂涂层缺陷常用的指标是孔隙率，孔隙率只能表征其含量，无法描述孔隙的数量、大小和形态。

分形几何学是一门以非规则几何形态为研究对象的新兴科学，可以处理自然界和非线性系统中出现的不光滑和不规则的具有自相似性且没有特征长度的形状和现象，并可以更加深刻地描述自然界中那些初看起来杂乱无章的自然形态，目前分形理论在各学科领域得到了广泛的应用。……