高炉风口上超音速火焰喷涂金属-陶瓷梯度层的可行性

在高炉风口表面制备一层适宜的金属-陶瓷梯度热障涂层,是提高风口寿命的一种有效的方法.本文旨在验证在风口上制备金属-陶瓷梯度保护层,提高高炉风口寿命的可行性.通过大型的有限元仿真软件AN-SYS,模拟分析了在紫铜表面喷涂陶瓷热障层的隔热效果,并且探讨了HVOF涂层的性能.结果发现,仅仅0.4 mm厚的ZrO2涂层就可以使铜基体温降200℃左右,而且超音速火焰喷涂打底的金属-陶瓷涂层的抗氧化性、热震性优于其他喷涂方法,这表示能够从材料和工艺两方面解决风口喷涂陶瓷层易脱落的问题.证明了在风口上喷涂金属-陶瓷梯度热障涂层的可行性以及利用HVOF打底层制备金属-陶瓷热障层的优势.     

等离子喷涂纳米ZrO_2-8%Y_2O_3涂层的结构及性能

热障涂层能提高工件的性能,延长其使用寿命,但目前对其厚度0.5 mm以上的研究报道不多.为此,以纳米ZrO2-8%(质量分数)Y2O3粉末(YSZ)为原料,用等离子体喷涂法制备了3种厚度(0.6,0.8,1.2 mm)的热障涂层,并对涂层的结构和性能进行了研究.结果表明:纳米涂层主要由未熔粉末及周围的柱状晶、等轴晶组成,可观察到大量纳米晶,喷涂电流对组织结构的影响远大于喷涂距离;热障涂层结合强度随涂层厚度的增加而降低;涂层隔热性能随涂层厚度的增加而提高,温度越高优势越明显.     

等离子喷涂纳米陶瓷涂层的显微组织及结构分析

热障涂层由绝热陶瓷层和金属底层组成,是目前保证高温合金在火箭发动机热端部位正常工作的主要技术.应用等离子喷涂方法成功备了纳米氧化锆陶瓷涂层,并对其微观组织形貌及相结构等进行观察分析,探讨了纳米陶瓷涂层的沉积机理.研究表明,涂层中的孔隙主要为长条形和近球形,无贯穿性孔洞;纳米陶瓷涂层裂纹较为细小,无明显的方向性;纳米粉末和涂层均为四方相(t-ZrO2)氧化锆组成的熔融或者部分熔融状态的纳米结构.     

等离子喷涂热障涂层残余应力的实验与模拟研究

分别采用真空和大气等离子体喷涂工艺在GH3128镍基高温合金基材表面制备CoNiCrAlY结合层和氧化钇部分稳定的氧化锆陶瓷层组成热障涂层。采用有限元模拟计算了涂层的残余应力, 研究了基材预热对打底层与陶瓷层界面应力分布的影响规律。结果表明, 预热基材可以显著地降低陶瓷顶层内部产生的残余拉应力。采用钻孔法测量了涂层中的残余应力并与模拟结果作定量比较, 结果表明: 有限元模拟计算结果与实验测量结果能较好吻合。     

悬浮液等离子喷涂制备的热障涂层微观结构和性能

以纳米8wt.%Y2O3-ZrO2(YSZ)粉末为原料制备悬浮液,并将悬浮液喂料进行等离子喷涂制备热障涂层.采用XRD,SEM分析涂层的相组成与显微组织.结果表明:涂层中的晶粒保持在纳米尺度,涂层的相结构稳定.涂层表面覆盖着致密的扁平粒子组织,扁平粒子的平均等效直径为1.7 um,厚度均处在纳米尺寸.涂层内部为非层状结构,分布有大量的孔隙.这些组织和结构使得涂层具有优良的抗热震性能.     

热循环条件下圆柱结构热障涂层系统应力场有限元分析

采用有限元模拟方法,在热循环务件下模拟计算了圆柱结构热障涂层系统应力场的演变情况,分析和讨论了热循环工作温度、陶瓷层厚度对应力场分布的影响.研究发现,在仅考虑热弹性变形的条件下,热循环工作温度和陶瓷层厚度主要影响涂层系统在保温阶段的应力场大小;在每次热循环冷却之后,系统中同一位置的残余应力值相等.对于圆柱体结构的热障涂层系统,由于材料参数不匹配而导致材料的环向应力远大于径向应力数值,因此在后续分析测试中建议重点关注其环向应力的演变.     

高温热处理对等离子体喷涂的纳米氧化锆热障涂层的影响

热障涂层已广泛用于燃气发动机燃烧室等高温零部件上。纳米热障涂层韧性改善,厚度可以增加,能够提高零部件使用温度和使用寿命。首先利用低压等离子体在镍基体上喷涂制备NiCoCrAlYTa金属中间结合层和大气等离子体喷涂制备Y_2O_3部分稳定的ZrO_2纳米陶瓷面层,然后将纳米氧化锆热障涂层样品在大气中于1050～1250℃温度范围内煅烧处理2～20h。通过扫描电镜和X射线衍射仪分析纳米氧化锆热障涂层高温煅烧前后的组织结构变化和相组成变化,并与常规微米氧化锆热障涂层进行比较。研究结果表明:经高温煅烧后,纳米氧化锆热障涂层中晶粒大小和在陶瓷面层/金属中间结合层界面上形成的TGO的厚度随煅烧温度升高和时间的延长而增大;纳米热障涂层中TGO的增长速度比常规微米热障涂层快;纳米热障涂层经高温煅烧空气中冷却后,主要由四方相组成;与常规微米热障涂层的相组成比较,纳米氧化锆热障涂层中的四方相为低稳定剂四方相。     

粘结层喷涂方法对铜基体与热障涂层结合强度的影响

为提高铜基体上热障涂层的工作温度和寿命,分别采用超音速火焰喷涂(HVOF)和等离子喷涂(APS)制备NiCrAlY粘结层,采用等离子喷涂制备ZrO2-8%Y2O3陶瓷面层.用拉伸试验测试了热障涂层的结合强度,利用SEM分析了拉伸断口的成分分布和微观形貌.研究表明,用HVOF制备粘结层的热障涂层的结合强度为47.9 MPa,用APS制备粘结层的热障涂层的结合强度为31.2 MPa.与等离子喷涂制备粘结层相比,采用超音速火焰喷涂制备粘结层可明显提高ZrO2陶瓷涂层的结合强度.     

镀铝表面改性7YSZ纳米热障涂层热震性能分析

为提高7YSZ纳米热障涂层的热震性能,实验中采用超音速火焰喷涂(HVOF)在涡轮叶片模拟工件上制备了粘结层NiCrCrAlYTa,再使用大气等离子喷涂(APS)在粘结层上制备了7YSZ纳米陶瓷层。采用磁控溅射在7YSZ热障涂层样品表面镀铝,并在不同压力下(200、250、300 Pa)对镀铝样品进行热处理表面改性。对喷涂态样品和镀铝改性后样品进行水淬热震实验,1050℃保温10 min+水冷5 min为一个热循环,观察热障涂层镀铝改性前后样品在水淬热循环过程中形貌和结构演变。实验结果表明,镀铝改性后样品表面存在铝薄膜蒸发、凝固后形成的疏松纳米Al晶粒表层以及由Al和ZrO_2原位反应形成的致密α-Al_2O_3底层。在镀铝样品热处理过程中,随着压力升高,疏松层致密度逐渐增加。不同热处理压力下镀铝表面改性后样品经过73次水淬热循环后剥落面积均小于喷涂态样品,显示出良好的抗热震性。     

热障陶瓷涂层的最新发展

综述了现代航空发动机用热障陶瓷涂层的最新发展，着重介绍了双陶瓷层，电子束物理气相沉积（EB－PVD）和溶液等离子喷涂（SPS）纳米热障陶瓷涂层的性能和特点。     

大气等离子体喷涂Sm2Zr2O7涂层的结构和性能

稀土锆酸盐材料具有比Y2O3部分稳定ZrO2陶瓷低的热导率,是新型热障涂层的潜在候选材料之一.利用大气等离子体喷涂技术以喷雾造粒的Sm2Zr2O7粉体制备涂层,并在相同条件下沉积8wt%Y2O3稳定ZrO2涂层.对比评价了两种涂层的结构、热物理性能和力学性能.X射线衍射结果表明,制备态Sm2Zr2O7涂层为缺陷萤石结构.扫描电镜分析显示,Sm2Zr2O7和8wt%Y2O3稳定ZrO2涂层为典型的层状结构,内部有很多气孔、裂纹等缺陷.800℃测得的Sm2Zr2O7涂层的热导率为0.44 W/(m.K),比相同条件下测得的8wt%Y2O3稳定ZrO2涂层的热导率低~40%,两者的热膨胀系数相似.力学测试结果显示,Sm2Zr2O7涂层的抗折强度、硬度和弹性模量均低于8wt%Y2O3稳定ZrO2涂层.     

纳米ZrO2等离子涂层的结构,性能和工艺特点

采用大气等离子喷涂技术(APS)，制备了常规氧化锆和纳米结构氧化锆两种涂层．利用扫描电镜(SEM)对涂层的显微结构进行了观察．对两种涂层的沉积效率、表面粗糙度和显微硬度作了对比研究．结果表明，粉末原料的显微结构、粒度、形态、喷涂工艺参数(喷涂功率和距离)对涂层的显微结构有较大的影响．等离子喷涂造粒纳米氧化锆粉制备的涂层沉积效率高而稳定，其显微结构与喷涂功率和距离密切相关．与常规氧化锆涂层相比，纳米结构氧化锆涂层具有较高的显微硬度和较低的表面粗糙度．     

Plasma spraying of zirconia-reinforced hydroxyapatite composite coatings on titanium: Part I Phase, microstructure and bonding strength

Plasma-sprayed hydroxyapatite (HA) coatings applied to metal substrates can induce a direct chemical bond with bone and hence achieve biological fixation of the implant. However, the poor bonding strength between HA and substrate has been of concern to orthopaedists. In this study, two submicrometre ZrO2 powders stabilized with both 3 and 8 mol% Y2O3 (TZ3Y and TZ8Y, respectively) were incorporated in a plasma-sprayed HA coating on Ti-6Al-4V substrate to investigate the change in phase, microstructure and bonding strength. The results show that ZrO2 composite coatings contain more unmelted particles and greater porosity. During plasma spraying, ZrO2 reacts with the CaO in HA to form CaZrO3 and accelerates HA decomposition to -TCP and Ca4P2O9. Nevertheless, bonding strength increases with increase of ZrO2 content in the range 0 to 10 wt% studied. The higher Y2O3-containing TZ8Y apparently exerts a greater strengthening effect than the lower Y2O3-containing TZ3Y.     

Al_2O_3-TiO_2-ZrO_2含纳米结构等离子喷涂层的显微硬度及韧性

为了提高传统Al_2O_3+40%TiO_2等离子喷涂层的力学性能,将纳米结构的ZrO_2粉末引入热喷涂层,采用液相喷雾造粒的方法将纳米ZrO_2-准微米级Al_2O_3/TiO_2颗粒团聚成适用于等离子喷涂的微米级粉体,并用等离子喷涂技术制备出含有纳米结构的陶瓷涂层.利用X射线衍射仪、扫描电镜和显微硬度计等对涂层的微观结构和性能进行了检测.结果表明,最佳喷涂功率40 kW下制备的纳米陶瓷涂层的显微硬度和韧性比传统涂层有了明显提高.     

Effect of the thickness of plasma-sprayed coating on bond strength and thermal fatigue characteristics

NiCrAlY bond coat and ZrO2–8 wt% Y2O3 top coat with various thicknesses were deposited on Hastelloy X by plasma spraying. Residual stress was calculated by the finite element method (FEM) to explain the variations in the bond strength and thermal fatigue characteristics with the thickness of the bond coat and top coat. The bond strength of thermal barrier coatings (TBCs) increased with decreasing maximum residual stress in the y-direction of the top coat. The thermal fatigue characteristics increased with decrease of the maximum principal residual stress of the top coat and the thickness of oxidation layer of the bond coat.     

掺杂纳米CeO2对ZrO2-Y2O3热障涂层隔热性能的影响

以纳米ZrO₂-8 wt%Y₂O₃(YSZ)和在纳米ZrO_2-8wt%Y₂O₃中分别掺杂25wt%和50wt%纳米CeO₂团聚处理后作为隔热层材料,NiCrAlY(Ni-25Cr-5Al-0.5Y,wt %)作为粘结层材料,用等离子喷涂(APS)方法在GH30高温合金表面制备三种材料体系的热障涂层(TBC) 。通过扫描电镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)对掺杂了25wt%纳米CeO₂涂层的微观组织结构进行分析研究,测定了三种材料涂层在室温和 300、500、700℃时的热导率,并在相同边界条件下测试了它们的隔热性能。结果表明：掺杂纳米CeO₂涂层组成相为稳定的t相(t-ZrO₂、t-Zr_0.82Y_0.18O_1.91、t-Zr_0.82Ce_0.18O₂)和c相(c-CeO₂) , 涂层中存在闭合的孔隙和微裂纹;掺杂纳米CeO₂能够降低涂层的热导率,并且隔热性能随CeO₂含量的增加而提高。对于 400μm厚的CeO₂/ZrO₂-Y₂O₃涂层(CYZ , 掺杂25wt%CeO₂)对基体产生的温降比纳米YSZ涂层提高了10.7%,当CeO₂的含量从25wt%提高到50wt%时,隔热性能也提高了7.1%。     

等离子喷涂制备HA/ZrO2复合涂层

采用等离子喷涂技术,在Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ基体上成功地制备了羟基磷灰石／氧化锆（ＨＡ／ＺｒＯ_２）复合涂层,对涂层的微观结构、相组成和结合强度进行了研究,并以模拟体液试验评估涂层的生物活性．结果表明,复合涂层具有较为均匀的微观结构．ＨＡ／ＺｒＯ_２复合涂层的结合强度明显高于 ＨＡ涂层, ＨＡ／６０ ｗｔ％ ＺｒＯ_２涂层的结合强度高达 ２８．５ＭＰａ,为 ＨＡ涂层的 ２．２倍．复合涂层在模拟体液中浸泡一段时间后,表面覆盖一层碳酸磷灰石（ｃａｒｂｏｎａｔｅ－ａｐａｔｉｔｅ）,表明涂层具有良好的生物活性．     

铜基体上制备ZrO2-NiCrAlY梯度喷涂层的组织及其性能

功能梯度涂层能提高涂层与基体问的结合力、耐磨性,以往对铜基体上喷涂功能梯度涂层的研究较少.用等离子喷涂法,在铜基体上制备了zrO2-NiCrAlY梯度涂层.利用扫描电镜对涂层的组织形貌、成分进行了分析,对涂层的结合强度和抗热震性能进行了试验研究,并对试样进行了高温扩散处理.结果表明,梯度涂层设计合理,实现了成分和组织的连续梯度变化;与双层涂层相比,梯度涂层的结合强度和抗热震性有显著提高,涂层的结合以机械结合为主,梯度涂层内部是基体-涂层体系中最薄弱的环节;600℃热处理后,基体与涂层之间出现了扩散层.