1.2 涂层性能表征

采用X射线衍射仪 （XRD,D/MAX-2500/PC,RIGAKU） 对不同喷涂工艺制备的涂层进行物相分析。采用QUANTAFEG 650型扫描电子显微镜 （SEM） 对样品的微观截面及表面形貌进行观察分析。采用ImageJ软件对不同工艺下喷涂的涂层进行孔隙率测试。采用HVS-1000Z自动转塔数显显微硬度计测试涂层硬度。

2 结果与讨论

2.1 SrZrO涂层的XRD谱

图1为不同喷涂工艺参数下所制备SrZrO3涂层的XRD谱。可以看出，涂层由SrZrO3和t-ZrO2两相组成，其中主晶相为SrZrO3相。通过计算得到SrZrO3相和t-ZrO2相的质量分数分别为77.46%和22.54%。涂层中出现少量第二相的原因是由于ZrO2和SrO的蒸气压不同所导致的，二者在2500 ℃下的蒸气压分别为0.1和2 Pa[24]。在热喷涂过程中SrO的挥发量与ZrO2相比较多，导致涂层成分偏离SrZrO3的化学计量比，从而使制备态涂层中出现t-ZrO2相。

图1 不同工艺制备的SrZrO3涂层的XRD谱

按照工艺4喷涂的SrZrO3涂层在1450 ℃热处理不同时间后的XRD谱见图2。经24 h热处理后，SrZrO3涂层衍射峰变得更加尖锐，说明结晶度进一步提高；涂层中仍含有少量t-ZrO2相。经过48 h热处理后，m-ZrO2相出现，这是由于t-ZrO2相向m-ZrO2相转变的结果[25]。经过72 h热处理后，t-ZrO2相逐渐减少，m-ZrO2相逐渐增多。经过360 h热处理后，m-ZrO2相含量从72 h的10.31%增加到360 h的13.87%,SrZrO3相含量基本不变。

图2 SrZrO3涂层在1450 ℃下热处理不同时间后的XRD谱

2.2 SrZrO涂层的形貌观察

图3为不同工艺制备的SrZrO3涂层的截面照片。工艺1和工艺2喷涂的SrZrO3涂层组织相对疏松，前驱体熔化程度较差，其中工艺1制备的涂层熔化程度最差。相比之下工艺4制备的涂层熔化最好，且出现了垂直裂纹，垂直裂纹的出现有利于缓解涂层与基底的热膨胀不匹配问题，从而有助于提高涂层的使用寿命[26]。工艺4制备涂层厚度达到300 μm,孔隙率为16.3%,单层喷涂厚度达到6.0 μm;工艺1~3在喷涂距离为40 mm条件下喷涂50遍后的涂层厚度分别为263,278和267 μm,涂层孔隙率分别为26.4%,25.6%和21.1%。

图3 4种不同工艺下所制备的SrZrO3涂层的截面形貌

图4为不同工艺制备的SrZrO3涂层的表面形貌照片。相对于工艺1~3而言，在工艺4所制备涂层的表面可以看到更多的熔化液滴碰撞到基体后形成的长板条结构[27],这也与工艺4制备涂层的截面显微形貌相一致。工艺2和3制备的涂层表面也出现了少量的长板条结构，但未熔化颗粒相对较多。工艺1制备的涂层表面大部分为未熔化的颗粒状结构[28]。

图4 4种不同工艺所制备的SrZrO3涂层的表面形貌

2.3 SrZrO涂层的沉积效率和显微硬度

图5为不同工艺对SrZrO3涂层的沉积效率和显微硬度的影响。由图5a可以看出，工艺1和3的沉积效率相对较低，工艺2和4的沉积效率较高。其中工艺4的沉积效率最高，单遍喷涂厚度达到6.0 μm。工艺1~3在喷涂距离为40 mm条件下单遍喷涂厚度分别为5.3,5.6和5.3 μm。由图5b可以看出，工艺参数对涂层的显微硬度影响较大，其中工艺1制备的涂层显微硬度最低，为3.5 GPa;工艺2和3制备的涂层显微硬度相差不大，分别为4.8和4.5 GPa;工艺4制备的涂层显微硬度最大，达到6.8 GPa。这与涂层的显微形貌和熔化状态相一致，熔化状态越好，涂层的显微硬度越大；熔化状态越差，涂层的显微硬度越低。

图5 不同工艺对SrZrO3涂层沉积效率及显微硬度的影响

2.4 田口设计实验结果

在田口设计中，根据对实验中质量特性值要求的数值范围不同，分为望目值、望大值和望小值质量特性，其中望大值是希望质量特性值越大越好，波动的程度越小越好[29,30]。本实验是以涂层的沉积效率和显微硬度为标准，利用Minitab 17软件计算出各因素在不同水平下的信噪比平均值并作出信噪比平均值趋势图，分别见表2和3及图6。从表2可以看出，各因素对涂层沉积效率影响显著性依次为：氩气流量>电流>氢气流量。从表3可以看出，各因素对涂层的显微硬度影响的显著性依次为：电流>氩气流量>氢气流量。从图6a中可知，对涂层的沉积效率来说，电流为600 A、氩气流量为40 L/min、氢气流量为10 L/min时达到各因素的最佳水平。从图6b中可知，对涂层的显微硬度来说，同样电流为600 A、氩气流量为40 L/min、氢气流量为10 L/min为各因素的最佳水平。

图6 喷涂参数对涂层沉积效率与显微硬度影响的信噪比平均值趋势图

3 结论

（1） 当喷涂距离、雾化压力和前驱体流量分别为40 mm、0.14 MPa和30 mL/min时，各因素对SrZrO3涂层沉积效率影响显著性依次为：氩气流量>电流>氢气流量，各因素对涂层的显微硬度影响的显著性依次为：电流>氩气流量>氢气流量。电流600 A、氩气流量40 L/min、氢气流量10 L/min为各因素的最佳水平。

（2） 在最优化工艺条件下，可以得到沉积效率相对最高、熔化程度相对较好的SrZrO3涂层。涂层单遍喷涂厚度为6.0 μm,孔隙率为16.3%,硬度达到6.8 GPa。

（3） SrZrO3涂层相稳定性研究表明，1450 ℃下热处理48 h后，涂层中出现m-ZrO2相；且随着热处理时间的延长，t-ZrO2相逐渐向m-ZrO2相转变。