高温合金热障涂层的氧化和失效研究

评述了热障涂层发展的现状，研究了电子束物理气相沉积（EB－PVD）热障涂层的恒温氧化和循环氧化行为。结果表明：热障涂层 1000℃氧化稳定后，基本遵循抛物线氧化规律。循环氧化过程中，微裂纹优先沿陶瓷层柱状晶界形成，并逐渐沿横向及纵向扩展。热障涂层热循环过程中产生的热应力、氧化物长大应力等引起金属氧化物（TGO）／粘结层分界面多处开裂，最终导致热障涂层失效于TGO中或TGO／粘结层的分界面。     

EB-PVD非连续沉积对热障涂层热循环氧化性能的影响

通过EB-PVD非连续沉积工艺方法沉积制备了热障涂层中的YSZ涂层,同时比较研究了非连续沉积与正常沉积热障涂层在1100℃下的循环氧化性能.研究结果表明,在破除真空后继续沉积制备热障涂层过程中形成的横向微裂纹起到了类似微叠层的效果,减缓了O沿柱状晶向TGO的渗透,同时该裂纹也阻止了Ni、Cr、Co等元素通过粘接层向外的扩散速度,延缓了TGO的生长速度.因此,非连续沉积制备的热障涂层在1100℃加热30 min、室温冷却5 min的热循环氧化增重比较缓慢,其对热循环氧化寿命没有明显的影响.     

基于真实TGO三维结构的热障涂层热应力分析

采用三维X射线显微镜对高温热循环后的双层结构热障涂层样品进行了分辨率0.5μm的高分辨率CT(Computed Tomography)重建,实现了热生长氧化物(Thermally Grown Oxide,TGO)三维结构分割与可视化,建立了基于真实TGO微结构的热障涂层三维有限元模型,研究了蠕变及热循环次数对热障涂层热应力的影响。有限元分析结果表明:恒温阶段受蠕变的影响,应力大幅度减小,高温蠕变对热障涂层热应力具有释放作用。三维热应力分布结果表明,粘结层与TGO界面处应力最大。热障涂层的应力随着热循环次数的增加而增大,但在15次循环之后,应力趋于稳定。     

TGO对YSZ热障涂层热循环寿命的影响

采用大气等离子弧喷涂(APS)制备YSZ热障涂层,在1 200℃燃气热冲击循环条件下,对热障涂层抗热冲击循环性能进行测试。采用扫描电镜系统研究热生长氧化物(TGO)对热障涂层热循环寿命的影响。结果表明:随着TGO厚度的增加,热障涂层热循环寿命出现了先增后减的趋势,拐点出现在TGO层中尖晶石氧化物出现的时间,表明初始TGO对热障涂层的热循环寿命有积极作用,但后期的尖晶石氧化物对热障涂层的热循环寿命有破坏性的负面影响。     

粘结层成分对单晶合金热障涂层寿命影响研究

采用电子束物理气相沉积工艺(EB-PVD)制备了针对第二代单晶高温合金的热障涂层,用SEM观察分析了不同成分粘结层的热障涂层热循环试验后的结构和晶体形貌,在N2条件下对比了不同成分粘结层材料与第二代单晶高温合金的热膨胀系数,分析了热循环试验后粘结层与热生长氧化(TGO)层成分、厚度及完整性情况。结果表明:NiCoCrAlYHf与第二代单晶高温合金热膨胀系数更为接近,匹配性更好;采用EB-PVD工艺制备的热障涂层在热循环试验过程中会产生大量垂直裂纹使涂层具有良好的应变容限;粘结层中Al元素含量的提高以及Hf等元素的加入,使得热循环试验后涂层TGO层的Al2O3纯度较高、生长缓慢无块状物生成,并且极大地改善了粘结层和合金基体的内氧化,涂层1 100℃循环氧化寿命达到1 200 h以上。     

预氧化处理对热障涂层热冲击性能及残余应力的影响

采用等离子喷涂工艺在镍基高温合金基体上制备了热障涂层(底层为MCrAlY,面层为ZrO2+ 8％ Y2O3),通过控制高真空烧结炉的氧分压对涂层进行预氧化处理,分析了预氧化处理对热障涂层热冲击性能和涂层应力状态的影响.结果表明,预氧化处理提高了粘接层的致密度,涂层组织变得均质化,降低了粘结层由于凸起尖角产生复杂应力的概率;有效干预热生长氧化物(TGO)的生长过程,降低了TGO的生长速度;热障涂层残余应力随热冲击次数的增加而增大,但经过预氧化处理的涂层应力增长幅度较缓慢,经过400次热冲击后的残余应力为492.5 MPa,未经过预氧化处理涂层热冲击350次后应力值为650.1 MPa.     

激光冲击金属黏结层高温热循环应力演化规律的有限元模拟

目的 探索激光冲击(LSP)对高温热循环(反复升温、保温和降温)过程中热障涂层中的热生长氧化物(TGO)表面及TGO/黏结层(BC)界面应力分布的影响规律。方法 基于真实TGO形貌,建立有限元模型,从应力演化角度分析LSP改性(LSPed)与未改性(Non-LSPed)试样危险区域的失效形式;使用拉曼光谱法(RFS)对氧化后的金属黏结层进行残余应力测试。结果 TGO应力分布随着形貌的起伏呈现相应的起伏变化。TGO表面压应力最大值出现在波峰位置,经10次热循环后LSPed试样TGO表面S11(平行于涂层表面的正应力)压应力最大值大于Non-LSPed试样,经50次热循环后LSPed试样TGO表面压应力最大值远小于Non-LSPed试样;随着热循环次数的增加,2类试样TGO/BC界面S11应力的差别变小。LSPed试样TGO表面S22(垂直于涂层表面的应力)应力随着热循环次数的增加逐渐增大,但S22拉应力小于250 MPa,应力总体偏低。TGO/BC界面S22、S12(平行于涂层表面的剪切应力)应力随循环次数的变化规律基本一致,经10次热循环后,LSPed试样的S22、S12应力均大于Non-LSPed试样;经50次热循环后,2类试样界面的S22、S12应力相差不大。结论 文中构建的TGO应力有限元仿真模型,模拟结果与测试结果吻合。LSP通过调控TGO生长速度,可以有效缓解TGO生长过程中应力的剧烈变化,大幅降低TGO表面S11和S12应力最大值,进而降低TGO表面产生垂直于表面贯穿裂纹和剪切破坏的风险,LSP对TGO表面(TGO/BC界面)应力状态的影响较小。     

TGO形貌对热障涂层残余应力的影响

基于Hyper Mesh建立了热障涂层残余应力仿真有限元模型,通过MSC Nsatran计算获得了热障涂层残余应力的分布情况,获得了残余应力随热生长氧化物(TGO)形貌参数的变化规律。结果表明:TGO形貌为正弦波形时,随波长及厚度增加,热障涂层内部最大残余拉应力增加;最大残余拉应力出现在TGO与粘接层交界面的波峰处。TGO形貌为锯齿波形时,当波长达到一定值后,波长的变化对最大拉应力大小影响不大;随着TGO厚度的增加,热障涂层内部最大拉应力增加;最大残余拉应力出现在TGO与粘接层交界面的波峰处。TGO形貌为椭圆波形时,当波长达到一定值后,波长的变化对最大拉应力大小影响不大;随着TGO厚度增加,热障涂层内部最大拉应力增加;最大残余拉应力出现在TGO与粘接层交界面曲率最小处。     

热障涂层陶瓷层/TGO界面开裂行为的有限元模拟

目的更好地理解热障涂层在热循环条件下的失效行为。方法采用有限元方法引入了内聚力模型,研究热障涂层在多次热循环条件下的界面开裂行为,并且考虑了陶瓷层厚度和粘结层厚度对界面开裂行为的影响。结果涂层最先在陶瓷层/TGO层界面的波峰与波谷之间开裂,此外在界面波谷处也存在开裂现象。当陶瓷层厚度在300~500μm范围内,界面裂纹的平均长度随陶瓷层增厚而增长,裂纹密度也随之增加。粘结层厚度为50μm时,界面裂纹的平均长度为15μm;当厚度增加到100μm时,界面裂纹平均长度减少到10μm;而厚度为150μm时,界面裂纹平均长度又提高至12μm。当粘结层与陶瓷层厚度比在0.2~0.4的范围内时,陶瓷层/TGO层界面上的最大拉应力最小。结论陶瓷层厚度和粘结层厚度对热障涂层界面开裂行为的影响极大,小厚度陶瓷层以及当粘结层与陶瓷层厚度比在0.2~0.4的范围内时,热障涂层具有更好的抗界面开裂能力。粘结层厚度不宜过大,超过一定厚度时反而会降低涂层的抗界面开裂能力。计算结果与文献报道的结果相近,证明了模拟结果的准确性。     

等离子喷涂热障涂层的热循环氧化行为研究

本文采用大气等离子喷涂在HA188合金基材上制备NiCrAlY+YSZ热障涂层，并进行了1100 oC、1120 oC和1150 oC三个温度点的高温循环氧化行为对比研究。结果表明，随着考核温度的升高，热障涂层热循环失效寿命显著下降，失效主要是由YSZ/NiCrAlY界面附近YSZ 层中裂纹形成和扩展导致。循环失效后的YSZ与制备态的相结构一样，均为非平衡四方相t"-ZrO2，未发生t"→c+m相变。在热循环过程中，YSZ/NiCrAlY界面形成的热生长氧化物层（Thermally Grown Oxide, TGO）增厚基本符合“抛物线”规律，并且YSZ中裂纹的产生和扩展与TGO的增厚直接相关。     

TGO growth behaviour in TBCs with APS and HVOF bond coats

The growth of thermally grown oxide (TGO) layers and their influence on crack formation were studied for two thermal barrier coating (TBC) systems with CoNiCrAlY bond coats produced by (i) air plasma spray (APS) and (ii) high-velocity oxy-fuel (HVOF) techniques. All samples received a vacuum heat treatment and were subsequently subjected to thermal cycling in air. The TGOs were predominantly comprised of layered alumina, along with some oxide clusters of chromia, spinel and nickel oxide. However, after extended oxidation, the alumina layer formed in the APS-CoNiCrAlY bond coat transformed to chromia/spinel, while that formed in the HVOF-CoNiCrAlY bond coat remained stable. TGO thickening in the APS-CoNiCrAlY bond coat generally exhibited a three-stage growth behavior, which resembles a high temperature creep curve, whereas growth of the alumina layer in the HVOF-CoNiCrAlY bond coat showed an extended steady-state stage. Crack propagation in these two TBCs was found to be related to the growth and coalescence of oxide-induced cracking, connecting with pre-existing discontinuities in the topcoat. Hence, crack propagation during thermal cycling appeared to be controlled by TGO growth.     

07MnNiVDR再热裂纹敏感性及试验

采用热模拟后缓慢拉伸试验、夏比摆锤冲击试验、插销试验以及小铁研试验等方法,研究了调质高强钢07MnNiVDR的再热裂纹敏感性.热模拟研究表明,采用小热输入焊接时,该钢对再热裂纹不敏感;大热输入情况下,敏感温度在600℃左右.插销试验表明,该钢具有一定的再热裂纹敏感性,敏感温度在600℃左右.热模拟试验和插销试验的结果一致,小铁研试验不适合试验材料的再热裂纹敏感性研究.热模拟后缓慢拉伸是判断材料再热裂纹敏感性的有效方法,插销临界断裂初应力对生产有指导意义.尽管未在小铁研试验中发现明显再热裂纹,对该钢实施焊后热处理还应慎重.     

Thermal expansion behavior of a β-LiA1SiO4/Cu composite

A copper matrix composite reinforced by β-LiAlSiO4 with negative thermal expansion coefficient was fabricated using vacuum hot-pressed sintering technique. The thermal expansion behavior of the composite was investigated, and the average residual stress in the matrix was analyzed by a simple model. The results indicate that the residual stress in the matrix affects the thermal expansion properties. After heat treatment, the coefficient of thermal expansion (CTE) of the composite decreases greatly. The CTE of the composite after thermal cycling between 50-350℃ is the lowest.     

CoCrAlY表面改性后热障涂层高温氧化及热震性能

采用大气等离子喷涂技术（APS）在镍基高温合金表面制备了CoCrAlY粘结层,利用电子束蒸发镀膜在CoCrAlY表面蒸镀纳米铝膜,并使用强流脉冲电子束熔敷纳米铝膜进行表面改性,最后使用APS在表面改性后的CoCrAlY表面沉积陶瓷层制备了热障涂层.在空气环境中对热障涂层进行高温氧化试验和热震试验.结果表明,CoCrAlY表面改性后热障涂层经1 050℃静态空气氧化后,界面处生成的热生长氧化物（TGO）具有较高的连续性和致密性,有效阻碍了氧化的进一步发展且避免尖角型氧化物的形成,提高了热障涂层的抗氧化能力;在1 050℃高温加热后10℃水淬热震条件下,脱落率仅为2%左右.     

A numerical model for the cyclic instability of thermally grown oxides in thermal barrier systems

Morphological instability of the thermally grown oxide (TGO) is a fundamental source of failure in some thermal barrier systems. The instabilities occur when initial non-planarity in the TGO grows in amplitude as the system experiences thermal cycling. By numerical means, this study explores how these instabilities are linked to constituent properties. The associated phenomena involve oxidation of the TGO, plastic flow of the bond coat, thermal expansion misfit between the TGO, bond coat and substrate, and stress relaxation in the TGO at high temperature. A key implication of the simulations is that the incidence of reverse yielding upon reheating differentiates between systems that exhibit a systematic increase in imperfection amplitude upon thermal cycling (ratcheting) and those that exhibit shakedown.     

三种热障涂层的组织性能

采用等离子喷涂技术制备了三种不同材料的热障涂层(TBC),对涂层进行了组织性能的分析比较.结果表明,Al-1075的TBC结合强度最高,为 24.66 MPa,具有良好的抗热震性能;KF-230的TBC结合强度最低,为 16.06 MPa;LG-210的TBC结合强度居中,抗热震性能最差.分析认为,氧化物层(TGO)在热障涂层中的失效起至关重要的作用,TGO是裂纹的产生源,是裂纹扩展的通道,是热障涂层系统中的最薄弱环节.因此抑制TGO是提高涂层结合强度、改善涂层抗热震性能的重要措施.     

Evolution of stress and morphology in thermal barrier coatings

Residual stress in the thermally grown oxide (TGO) in thermal barrier coatings (TBCs) was measured by photoluminescence piezospectroscopy (PLPS) and stress maps created to track local stress changes as a function of thermal cycling. The local stress images were observed to be correlated with morphological features on the metal surface that were purposely introduced during specimen preparation. Local stress relaxation and morphological evolution with thermal cycling were studied using the stress maps combined by post-mortem SEM examination. It was found that the morphology in the specimen having an initial polished surface was quite stable, while that in the specimen with a rough surface was unstable. The average residual stress in the specimen with the unstable morphology decreased with thermal cycling and it eventually failed along TGO/YSZ interface. The specimen with stable morphology maintained a high TGO stress throughout the thermal cycling process and failed along TGO/bond coat interface. The rough surface was also found to give rise to the formation of transition alumina (θ-Al₂O₃) in the TGO which was correlated with a reduced TGO stress.     

基于内聚力单元与XFEM的热障涂层失效分析

为了更好的理解热障涂层的失效机理,文中运用ABAQUS有限元软件来分析热障涂层的失效情况,使用内聚力单元和扩展有限元（XFEM）两种方法研究热障涂层TGO界面开裂与陶瓷涂层（TC）和氧化层（TGO）内随机裂纹的萌生与扩展,研究竖直裂纹与水平裂纹的关系.结果表明,热障涂层TGO界面的开裂首先出现在TGO/TBC波谷处.陶瓷涂层和氧化层内随机裂纹的萌生同样发生在TGO/TBC波谷处.竖直裂纹的存在可以抑制水平裂纹的萌生与扩展,且其在TGO/TBC波谷处的扩展长度比在TGO/TBC波峰处的扩展长度更长,说明TGO/TBC波谷区域是个危险区域,在此区域容易引发裂纹的萌生与扩展.