两种用于热障涂层孔隙率的定量检测方法.pdf

窑窑窑窑Jun.2023No.2DONGFANG TURBINE2023 年 6 月第 2 期DOI:10.13808/ki.issn1674-9987.2023.02.008两种用于热障涂层孔隙率的定量检测方法两种用于热障涂层孔隙率的定量检测方法第一作者简介院 郭维华 渊1987-冤袁 女袁 硕士袁 高级工程师袁 毕业于广西大学材料物理化学专业袁 主要从事汽轮机及燃气轮机材料开发设计工作遥郭维华1.2袁 陈艺文1.2袁 赖雨秋1.2袁 裴玉冰1.2袁 李定骏1.2袁 巩秀芳1.2渊1.东方电气集团东方汽轮机有限公司袁 四川 德阳袁 618000曰 2.清洁高效透平动力装备全国重点实验室袁 四川 德阳袁 618000冤Two quantitative Methods for Measuring Porosity ofThermal Barrier CoatingsGUO Weihua1.2袁 CHEN yiwen1.2袁 LAI Yuqiu1.2袁 PEI Yubing1.2袁 LI Dingjun1.2袁 GONG Xiufang1.2渊1.Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000;2.State Key Laboratory of clean and Efficient Turbomachinery Power Equipment,Deyang Sichuan,618000冤Abstract院 Two methods for measuring the porosity of YSZ ceramic coating layer prepared by plasma spraying method were com鄄pared.Leica DM6M microscope was used to observe the cross-section and the porosity of ceramic coating layer was calculated byLAMOS Maser software in the metallographic method.APROS field emission scanning electron microscope(SEM)backscatter wasused to analyze the microstructure of the same samples in the SEM method,and Image J software and Image-Pro Plus 6.0 softwarewere used for gray threshold processing to obtain the porosity of the coating.Finally,Minitab software was used to verify the qualitycapability of CgK for the quantitative porosity measured by the two methods.The results showed that both methods can quantitativelycharacterize the porosity.The metallographic method is simple and suitable for mass production.The SEM method has higher accu鄄racy and can accurately measure the size and shape of pores,unmelted powder morphology,etc.,which is suitable for developmentprocess.There is little difference in porosity statistics between the two methods,but both need to follow the standard metallographicsample preparation process strictly to ensure the accuracy of the result.Key words院 OM,SEM,YSZ ceramic coating,porosity摘要院文章针对等离子喷涂方法制备的 YSZ 陶瓷涂层袁对比了两种表征手段测试孔隙率的检测能力和检测精度遥 金相表征法采用 Leica DM6M 金相显微镜对截面试样进行观察并通过 LAMOS Maser 软件计算 YSZ 陶瓷涂层的孔隙率曰扫描电镜表征法采用 APROS 场发射扫描电镜背散射测得同一批试样的显微组织照片袁并通过 Image J 软件及 Image-Pro Plus 6.0 软件进行灰度的阈值处理袁得到涂层孔隙的大小尧形状和孔隙率曰最后采用 Minitab 软件对两种方法测得的定量孔隙率进行 MSA 质量能力验证遥 结果表明院金相表征法与扫描电镜表征法都可以对孔隙率进行定量表征袁金相表征法操作简单适用于批量生产遥扫描电镜表征法具有较高的精度袁可以准确测量孔隙的大小尧形状尧未融粉末形态等袁适用于前期工艺研发遥 通过 Minitbe 单样本 T 检分析及可区分类别数分析可知扫描电镜法测试陶瓷涂层孔隙率分辨率高于金相法测试遥 但两种方法都需要严格遵循标准金相试样制备流程袁才能保证数据的准确性遥关键词院金相表征袁扫描电镜表征袁YSZ 陶瓷涂层袁孔隙率中图分类号院TB302文献标识码院B文章编号院1674-9987渊2023冤02-0028-0628窑窑窑窑No.2Jun.2023DONGFANG TURBINE2023 年 6 月第 2 期冷却水绝热体喷涂涂层基体等离子流熔融粒子喷嘴粉末材料渊陶瓷尧金属陶瓷尧金属冤工作气体渊H2,O2冤阴极渊钨冤阳极渊铜冤冷却水加热衬底7020 mm燃气轮机是清洁高效能源动力系统的核心装备遥 在透平高温叶片合金基底表面制备高熔点尧低热导率尧 抗热震性尧 耐腐蚀的热障涂层袁 可使叶片表面温度降低 80耀170 益袁 是提升燃气轮机透平前燃气入口温度尧 保护金属基体尧 提高燃气轮机效率的必要手段遥 此外袁 热障涂层还能有效解决合金基底因高温氧化尧 腐蚀和磨损引起的失效袁大幅延长叶片服役寿命遥 目前袁 燃气轮机高温部件用热障涂层渊TBC冤主要为双层结构袁 即合金基体上先涂覆中间黏结层袁 接着在该层上涂覆陶瓷隔热涂层遥 陶瓷层大多采用氧化钇部分稳定氧化锆渊YSZ冤袁 一般黏结层材料为 M渊Co/Ni冤CrAlY遥 陶瓷层主要采用大气等离子喷涂袁 黏结层主要采用超音速火焰喷涂制备1-4遥等离子喷涂是利用温度高达 15 00030 000 益的等离子弧将陶瓷涂层粉末材料熔化袁 并利用高速气流将熔融的粉末喷射到基体材料表面形成陶瓷层5-6袁如图 1 所示遥 从陶瓷层的形成机理看袁 是熔化或者半熔化的陶瓷层熔滴材料冲击到基体表面尧 展平并快速凝固遥 喷射时熔融粉末高速沉积在基体表面会形成波浪式堆叠的层状结构袁 由于其熔滴或者半熔滴之间的快速凝固袁 结合处不可避免地出现一部分孔隙或者空洞7遥图 1大气等离子工艺示意图由于等离子喷涂的工艺特性袁 粉末在基体表面凝固过程中会呈现多种形态如堆叠尧 孔隙尧 微裂纹尧 飞溅边界和未熔化颗粒等遥 沉积过程中由于粉末堆叠产生横向纹理截面形貌呈现横向微裂纹袁 涂层半熔化的粉末沉积在表面呈现空洞袁 统称为孔隙遥 此时袁 测试截面孔隙面积占整个测试面的面积比定义孔隙率遥孔隙率需要控制在一个合适的范围内袁 热障涂层才会有良好的硬度尧 强度尧 隔热性能尧 抗冲击性能和抗热震性能等遥 涂层的制备过程需要制备涂层厚度尧 孔隙率尧 都均匀的涂层才能保证零部件的寿命遥1 实验材料及实验方法1.1实验材料本实验采用的商用陶瓷粉末材料 Metco 204B-NS袁 并对粉末进行了 SEM 抽样检验袁 如图 2 所示遥 用大气等离子喷涂法制备的 YSZ 陶瓷涂层袁用定量金相法测得的涂层孔隙率为 4%12%袁 作为涂层孔隙率的上下参考基线遥图 2Metco 204B-NS 粉末图像1.2涂层制备通过大气等离子喷涂方法制备 YSZ 陶瓷涂层袁等离子喷涂工艺参数 渊电流尧 Ar 气流量尧 H2气流量尧 送粉量冤袁 喷枪基材运动参数渊喷涂距离冤等参数均保持一致袁 制备 9 批次的平行样品渊试样为直径 D=25.4 mm 的圆形柱体袁 厚度为 5 mm冤袁 从 9批次样品中抽取 2 组平行样品进行孔隙率测试遥1.3截面金相样制备渊1冤试样切割采用金刚石进行切割试样渊D=25.4 mm冤的圆形柱体袁 从中间等分切割袁 切割过程中加入冷却液袁防止热损伤截面样品遥 用软木垫固定样品进行柔性加工袁 减少预紧力对陶瓷层的损伤袁 切割轮尽可能薄袁 将外力对涂层的损伤降至最低遥渊2冤清洗29窑窑窑窑Jun.2023No.2DONGFANG TURBINE2023 年 6 月第 2 期切割后的样品通过超声震荡仪器袁 依次在丙酮袁 酒精中清洗袁 丙酮清洗两次每次 5 min袁 取出后在酒精中清洗 5 min袁 最后用惰性气体气枪吹干袁 以防止制样过程中残留物体影响试样截面遥渊3冤镶样用环氧树脂通过真空镶样机的方法进行镶样遥渊4冤磨样渊使用自动研磨/抛光机冤用粒度为 200尧 400尧 600尧 800尧 1 200 和 2 000的碳化硅纸尧 0.3 滋m 氧化铝膏尧 300 m/min 的旋转速度尧 依次通过全自动研磨抛光机进行研磨及抛光遥抛光后袁 在超声波浴中用 99.9%酒精清洁样品 5 min袁 并用惰性气体气枪吹干试样表面清除所有抛光碎屑遥渊5冤镀金渊仅用于扫描电镜测试冤在扫描电镜渊SEM冤观察之前袁 用一层薄渊1020 nm冤 的金导电膜预涂处理过的试样袁 以避免测量过程中的陶瓷层由于不导电而产生电荷富集遥在进行扫描电镜获取测试图像时袁 采用扫描电镜的背散探头进行测试袁 保证同一批次对比测试的电压尧 电流尧 测试距离及放大倍数一样袁 随机选择 10 幅放 800 倍的图像袁 并保存遥1.4分析测量方法方法 1院 金相法通过 Leica DM6M 金相显微镜对截面金相试样进行形貌测试并通过自带的LAMOS Maser 软件计算出 YSZ 陶瓷涂层的孔隙率袁 保持软件统计阈值一致遥方法 2院 扫描电镜法采用 SEM 图像通过数字图像分析和图像分析软件计算孔隙率遥 通过 ImageJ 软件及 Image-Pro Plus 6.0 软件进行灰度阈值处理 渊156依2冤袁 两种分析软件对同一批数据进行处理袁 确定合适的阈值水平遥 使用 800 倍放大倍数下获得的不同图像重复分析 10 次遥 通过 Image-Pro Plus 6.0 及 Image J 软件统计孔隙区域和非孔隙区域的像素面积袁 最后计算出孔隙率8-13遥试样的制备及测试过程是保证最终图像处理的前提条件袁 至关重要遥 所有设备应定期维护和校准袁 并保持恒定测试温度袁 以确保设备的可靠性和可重复性遥1.5MSA 设备能力验证常见的分析方法包括概率估计尧 平均值尧 标准差袁 方差法等遥 在实际试验过程中袁 对试验数据进行统计处理是常规操作方法袁 涂层的孔隙率常用方法为平均值法遥 确保整个涂层的平均特征可以选取不同的区域进行测试表征遥 平均值来自每个图像的孔隙率袁 而标准差取决于每个图像的孔隙度符合何种分布遥 由于热喷涂涂层的孔隙率始终呈现正态分布遥 对于热喷涂陶瓷涂层袁 应根据有限测量值预测实际孔隙度袁 并将其表示为具有标准偏差的平均值遥本文通过六西格玛的 MSA 设备能力验证 R&R方差法及平均值法对数据进行统计学分析袁 采用Minitabl 软件进行数据处理对孔隙率设备过程能力进行验证及对比分析遥2实验结果与讨论2.1金相显微镜的孔隙率定量测量结果通过 Leica DM6M 金相显微镜对截面金相试样进行形貌表征袁 测量倍数为 200X袁 A袁 B 测试人员完成对抽取的 3#试样截面金相形貌拍摄袁 获取10 张不同位置的 200X 的形貌图袁 进行 LAMOSMaser 软件统计袁 每人每张图片统计两次数据袁 如图 3 所示遥 最终得到 YSZ 陶瓷涂层的孔隙率袁 见表 1袁 计算孔隙率的平均值袁 结合表 1 及图 4 可知袁 金相法测试孔隙率的平均值波动较小袁 从图 4中可以看出金相法没有标定出横向裂纹孔隙袁 其均值为 9.84 孔隙率偏大袁 误差范围较小遥图 33#试样的金相图及孔隙率表征图30窑窑窑窑No.2Jun.2023DONGFANG TURBINE2023 年 6 月第 2 期123试样20181614121086420表 1金相法测量试样孔隙率值%通过 Minitabl 软件进行数据处理袁 如图 5 所示袁 得到重复性波动占 91%袁 再现性波动占41.45%袁 此时可区分类别数为 1袁 可区分的类别数应该逸5袁 说明量具不满足高分辨率要求遥 操作人员及测量方式不能完全满足方差标准要求袁 从图 5 孔隙率的量具 R&R 方差分析图可以看出袁 操作人员 A 及 B 样本极差都有趋近下限LCL=0 点袁此时说明 A,B 在统计 LAMOS Maser 软件统计时阈值选择没有固定遥 从部件与操作人员交互作用可以看出袁 操作人员 A袁 B 之间没有重合袁 两人通过的 LAMOS Maser 软件统计孔隙率统计测试方式有差异遥图 4金相法 A,B 测试孔隙率的均值图 5金相法孔隙率的量具 R&R 方差分析图序号01020304050607080910平均值B-29.1910.749.538.579.669.559.789.379.5410.189.61B-19.1910.2010.089.449.659.5510.519.379.549.639.72A-210.2910.4810.659.939.6510.669.779.9310.079.6310.11A-110.2910.2011.109.709.669.559.789.3710.069.639.9331窑窑窑窑Jun.2023No.2DONGFANG TURBINE2023 年 6 月第 2 期2.2扫描电镜孔隙率的定量测量结果基于 Image J 软件及 Image-Pro Plus 6.0 软件进行灰度阈值处理 渊阈值为 156依2冤袁 针对 YSZ 陶瓷涂层的 SEM 图像的特点袁 确定了 YSZ 陶瓷涂层的孔隙率图像处理方法袁 成功提取孔隙率分布图像尧 孔隙的大小及形状特点及孔隙率定量数据遥通过选取样本 10 个不同位点进行试验袁 获得 SEM图像的孔隙率袁 如图 6 及表2 所示遥图 63#试样的扫描图及孔隙率图表 2扫描电镜测量试样孔隙率值%图 7扫描电镜法 A,B 测量方式的均值表 2 的 A-1袁 A-2 为通过 Image J 软件统计的扫描电镜形貌图面积百分数袁 B-1袁 B-2 为通过Image-Pro Plus 6.0 软件统计的扫描电镜形貌图面积百分数遥 金相截面 SEM 形貌图像倍数为 800X袁通过 Image-Pro Plus 6.0 及 Image J 软件统计孔隙率遥 其均值都是 8.67 左右 渊图 7 所示冤袁 结果表明袁 相同扫描电镜测试的截面形貌图之间由于图像分析软件不同而产生的差异并不大遥从图 8 扫描电镜孔隙率的量具 R&R 方差分析图可以看到袁 重复性是 46%袁 再现性为 0%袁 方差比为 21.16%渊跃9%冤袁 可知操作人员及测量方式不能完全满足要求遥 其中 R&R 看%SV袁 结果为30.19%袁 超过允许水准 渊30%冤袁 需改进遥 可区分类别为 2渊小于六西格玛的标准值 5冤袁 分辨率不能完全满足要求遥 从图 8 孔隙率的量具 R&R 方差分析图可以看出袁 操作人员 A 样本极差趋近于下限 LCL=0 的有 6 个点袁 此时说明 A 在统计Image J软件统计孔隙率时阈值选的偏大遥 从箱线图可以看出 B 操作人员有一个异常点袁 此点测量数据有误差遥 从部件与操作人员交互作用可以看出袁 操作人员 A袁 B 之间有重合袁 两人的孔隙率统计测试方式相差不大袁 进一步印证图像分析软件不同不会对结果有影响遥2.3Minitbe 对两种测量方式进行单样本 T 分析两种测量方式的可区分类别数均小于 5袁 这是由于大气等离子喷涂的工艺特性袁 使陶瓷涂层的实际表面形呈现三维几何形态袁 微观上孔隙的分布不具有均匀性袁 实际测量值重复低遥 导致涂层不同测试区域的孔隙率存在差异遥进一步对比两种测量方式袁 抽取金相及扫描电镜的一组数据做差值袁 通过 Minitbe 对差值进行单样本 T 分析袁 可以得到袁 两种测试方式的 P 值为 0.04袁 P值小于 0.05渊标准值冤袁 说明金相法测试与扫描电镜法测试涂层孔隙率有差异袁 结合量具R&R 方差分析图袁 金相法与扫描电镜法的可区分类别数袁 扫描电镜法可区分类别数 2 大于金相法可区分类别数 1袁 说明扫描电镜法测试陶瓷涂层孔隙率分辨率略高于金相法测试陶瓷涂层孔隙率遥序号12345678910平均值B-29.2287.66210.2749.52611.3787.8248.1819.0447.1277.2118.746B-18.4788.7366.6499.35912.9906.7287.4099.8507.0577.5288.478A-28.4247.0149.6809.60211.4317.6247.79411.2167.2767.3398.740A-18.2986.8969.6279.31411.3057.6057.75210.9116.6737.1838.7091234试样20181614121086420扫描电镜测量32窑窑窑窑No.2Jun.2023DONGFANG TURBINE2023 年 6 月第 2 期图 8扫描电镜孔隙率的量具 R&R 方差分析图3结论本文针对两种用于热障涂层孔隙率的定量检测方法的检测能力和检测精度进行了对比研究遥结果表明院 两种测试方法均可对 YSZ 陶瓷涂层孔隙率进行定量表征遥 同时袁 由于金相的光源是散射光源袁 对样品制样过程要求非常严格袁 尽量避免因切割样品或者磨削过程中的样品表面产生物理空洞而产生伪孔隙袁 增大孔隙率数值袁 因此操作过程必需严格遵循标准金相制备流程遥 同时袁扫描电镜法也要严格遵循金相制备流程袁 同时保证同批次测试参数一致袁 才能保证定量测试数据的准确性遥渊1冤金相法由于其测量设备简单易操作且具有的经济性袁 适用于生产检测遥 为了保证金相法测试数据的准确性袁 测量过程中测量倍数的选择袁图像处理阈值都要严格遵循标准遥渊圆冤扫描电镜法测试陶瓷涂层孔隙率袁 通过Image-Pro Plus 6.0 或 Image-J 图像软件能够通过清晰的表征陶瓷涂层截面孔隙率袁 且涂层表面孔隙分布不均匀时选取低倍形貌图能有效反映涂层孔隙率变化趋势及孔径大小的分布情况袁 图像分析软件不同也不会引起差异遥渊猿冤通过对比两种测量方式袁 扫描测试方式分辨率更高袁 同时可以清晰定量陶瓷涂层孔隙的大小尧 形状及分布特点遥 但由于其测试费用高袁 适用于前期工艺定型遥参考文献1李太江,李勇,李巍,等.热处理对热障涂层孔隙率及热导率的影响J.材料保护.2017,50(9):23-30.2李君.热喷涂技术应用与发展调研分析D.长春:吉林大学,2015.33窑窑窑窑Jun.2023No.2DONGFANG TURBINE2023 年 6 月第 2 期04590135180225270315360相位角/渊毅冤1 阶2 阶3 阶0.160.140.120.100.080.060.040.020.003张新格.低压等离子喷涂 MCrAlY 涂层及其高温腐蚀性能研究D.昆明:昆明理工大学,2015.4王倩,徐建明.热障涂层孔隙率的控制研究J.热处理,2016,31(4):31-35.5张红松,王富耻,马壮,等.等离子涂层孔隙研究进展J.材料导报,2006(7):16-26.6廖红星,宋鹏,周会会,等.陶瓷层与界面孔隙率对热障涂层寿命及其失效机制的影响 J.复合材料学报,2016,33(8):1785-1793.7毛杰,邓畅光,邓春明,等.基于孔隙率的 Cr2O3涂层工艺优化及回归分析J.中国表面工程,2013,26(4):38-43.8王燕兰,张方.扫描电镜法用于多孔金属孔隙率的计算J.火工品,2012(6):49-53.9冯爱芬,张永久.应用 Image J 软件进行图像处理统计织物孔隙率J.针织工业,2015(1):9-11.10赫放,孙杰,杨景伟,等.用图形软件分析封严涂层金相照片计算孔隙率的方法 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