高韧性过渡层对大气等离子喷涂热障涂层性能的影响EI北大核心CSCD

高温服役环境下,大气等离子喷涂(APS)制备的纳米结构热障涂层受热应力作用,黏结层/陶瓷层界面附近的陶瓷层内部易形成横向裂纹而导致热障涂层失效。利用常规大气等离子喷涂和超音速等离子喷涂(SAPS)制备8YSZ高韧性过渡层。结果表明,采用APS和SAPS制备的高韧性过渡层提高了扁平化粒子间结合状态和涂层致密度,相比常规结构8YSZ涂层的断裂韧性分别提高约46%和84%,高韧性过渡层均提高了复合结构热障涂层结合强度、抗热震性能和燃气热冲击寿命,SAPS制备的高韧性过渡层厚度为30~50μm时复合结构热障涂层抗热震性能最优,当高韧性过渡层厚度为10~30μm时,相比常规结构热障涂层燃气热冲击寿命提高120%。在温度梯度作用下,热障涂层最终失效由陶瓷层逐层剥落转变为靠近陶瓷层/黏结层界面处剥落。通过高韧性过渡层设计,兼顾热障涂层的隔热性能的同时,提高了热障涂层的结合强度和寿命。     

不同结构等离子喷涂热障涂层的性能研究

通过等离子喷涂,制备了常规层状结构、垂直裂纹结构的氧化钇部分稳定氧化锆(YSZ)和铈酸镧(LCO)热障涂层,分析了涂层的微观形貌及性能。结果表明:对于YSZ涂层,垂直裂纹结构的结合强度是层状结构的1.8倍;LCO涂层的微观结构对喷涂工艺比较敏感,适当降低喷涂功率有助于提高扁平化粒子间的结合,缓解涂层中横向裂纹的产生,促进垂直裂纹形成;与层状结构的LCO/YSZ双层涂层相比,垂直裂纹结构的LCO/YSZ双层涂层的结合强度和抗热震性能未明显提高。     

粘结层和陶瓷层厚度对纳米结构热障涂层性能的影响

采用超音速火焰喷涂+大气等离子喷涂工艺,在K403高温合金表面制备不同层厚比的NiCrA-lY/纳米7YSZ热障涂层,研究了涂层厚度变化对热障涂层表面粗糙度、结合强度、热震性能和热循环寿命的影响规律。结果表明:当粘结层厚度一定时,随着陶瓷层厚度的增加,其表面粗糙度增加,涂层结合强度下降;当粘结层厚度为50μm时,热障涂层的抗热震性能随陶瓷层厚度增加而降低,粘结层厚度提高至100μm时,热障涂层的抗热震性能随陶瓷层厚度增加先提高,后降低,热障涂层在1100℃的热循环寿命测试结果也基本对应这一规律;当粘结层厚50μm且陶瓷层/粘结层的层厚比在(1～2)∶1的范围内,或者粘结层厚100μm且陶瓷层/粘结层的层厚比在(2～2.5)∶1范围内时,热障涂层具有较优异的性能。     

激光表面重熔对ZrO_2-8wt%Y_2O_3热障涂层组织与抗热震性能的影响

采用等离子喷涂设备在H13热作模具钢表面制备氧化钇部分稳定的氧化锆(ZrO2-8 wt%Y2O3)热障涂层,并用CO2横流激光器对热障涂层进行表面重熔处理,并采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、热震试验等手段研究激光重熔前后热障涂层的微观结构及其抗热震性能的变化。结果表明,重熔前后涂层均由四方结构钇锆氧化物和立方相的氧化锆组成,重熔后涂层结晶度增加,晶粒有长大现象。激光重熔后涂层产生明显分层,表层组织孔隙和裂纹明显减少,裂纹呈网状且沿晶界分布,重熔涂层内部仍保持等离子喷涂典型结构。激光重熔后涂层孔隙率降低了67%,涂层的抗热震性能也显著提高。     

合金钢热障涂层等离子喷涂及高温力学特性研究

目的研究等离子喷涂热障涂层微观组织与高温力学性能,为热障涂层在合金钢的应用及其失效机制提供理论支撑。方法采用等离子喷涂技术在30Cr Mn Si A钢基体上制备Ni Co Cr Al Y/YSZ热障涂层,利用扫描电镜显微观察、物相分析、热震试验、拉伸试验等技术方法,考察涂层在高温条件下的失效行为。结果合金钢等离子喷涂热障涂层为典型双层层片状结构,YSZ涂层仅含有稳定四方相。800℃时,涂层试样拉伸试验后的断裂载荷与无涂层试样相比高10%。热障涂层的抗热震性良好,经900℃热震循环试验10次后,涂层完好;经1000℃热震循环6次后,涂层剥落失效,剥落面位于粘结层与基体之间。热震循环过程中,钢基体被氧化甚至腐蚀。涂层试样边缘产生应力集中,随着热震次数的增加,裂纹逐渐扩展,最终导致涂层成块剥落。温度由700℃升至900℃,Ni Co Cr Al Y涂层硬度下降幅度大于YSZ涂层和30Cr Mn Si基体。结论粘结层与钢合金基体的热膨胀不匹配是导致热震试验涂层剥落的主要原因。热障涂层的隔热作用使涂层试样的基体温度较低,导致其断裂载荷与无涂层试样相比较高。     

8YSZ热障涂层结构设计及其结合强度变化规律

目的 探究不同厚度的黏结层和陶瓷层对8YSZ热障涂层结合强度的变化规律。方法 采用大气等离子喷涂技术(APS)在Ti-6Al-4V合金基体表面分别制备了不同厚度的黏结层和陶瓷层等6种双层结构涂层。利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)和X射线荧光分析仪(XRF)等检测手段对喷涂粉末和涂层的相组成、微观结构及化学成分变化进行表征。借助万能材料试验机分别对6种不同厚度涂层的结合强度进行测量和评估。结果 不同厚度的8YSZ陶瓷粉末在喷涂过程中主要从单斜相(M)向四方相(T)转变。此外,不同厚度的热障涂层都呈现出典型的层状结构,涂层表面存在着完全熔融态、半熔融态和未熔态等3种复杂状态,且都存在不同程度的裂纹和孔隙。涂层结合强度随黏结层厚度的增加会有些许增大,而随陶瓷层厚度的增加逐渐下降,且陶瓷层厚度越大结合强度下降得越缓慢。在所有涂层试样中,当黏结层最厚且陶瓷层最薄时涂层结合强度最大,超过29.7 MPa;而当黏结层最薄陶瓷层最厚时涂层结合强度最低。 结论 8YSZ热障涂层的黏结层和陶瓷层厚度变化对涂层的物相组成以及化学成分无明显影响,而对涂层结合强度以及断裂方式产生显著影响。     

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.     

粘结层粗糙度对YSZ涂层热震性能的影响

目的 提高YSZ涂层的服役寿命.方法 采用火焰喷涂和等离子喷涂的方法,在GH4169高温合金上分别制备NiCoCrAlY粘结层和8YSZ陶瓷层.在制备陶瓷层之前,通过低压喷砂的方法对粘结层表面进行处理,改变粘结层的表面粗糙度.利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、3D测量激光显微镜,表征涂层的物相、微观形貌和表面粗糙度.使用马弗炉进行1100℃的热震实验,表征YSZ涂层的热震性能.结果 通过喷涂方法制备的粘结层,表面较为粗糙,喷砂处理后,有效地改善了表面情况,表面粗糙度下降了1～3μm.随着热震实验的进行,陶瓷层和粘结层中间形成的热生长氧化物(TGO)不断增厚.喷砂处理后,涂层的氧化速率降低.热震实验后,涂层边缘处会萌生微裂纹,随着裂纹的累积扩展,最终贯通,形成局部的涂层剥离.失效前后,YSZ没有相变发生.结论 涂层失效多发生在TGO界面处,粘结层的高温氧化引起TGO层生长增厚,会导致涂层的失效.平整的TGO生长界面可以减少接触面,降低粘结层的氧化速率.平整界面可以避免局部起伏造成的TGO过度生长.经过表面喷砂处理改善粘结层粗糙度的涂层,具有更优异的抗热震性能.TGO层的形成和生长,容易导致微裂纹的萌生和扩展.粘结层表面处理后,能够为TGO的形成和生长提供相对平整的界面,有效提高TGO的质量,进而提高涂层的抗热震性能.     

热喷涂纳米结构La_2Zr_2O_7(LZ)/8YSZ双陶瓷热障涂层

为了满足发动机以及涡轮机越来越高的性能要求,双陶瓷热障涂层逐渐取代单陶瓷层的8YSZ涂层,成为可以长期使用温度高于1 200℃的新型陶瓷涂层。采用等离子喷涂方法制备了La2Zr2O7(LZ)/8YSZ双陶瓷热障涂层,并同时制备了微米结构和纳米结构的单层8YSZ陶瓷涂层作为对比。通过X射线衍射仪和扫描电子显微镜研究了粉体喂料和涂层的组织结构。采用对偶拉伸试验法、水淬方法和日本工业标准等研究了涂层的结合强度、隔热效果、热震行为以及高温抗氧化行为。结果表明,与单层的8YSZ陶瓷层相比,双陶瓷型n-LZ/8YSZ涂层的隔热效果提高了35%,热震次数增加了一倍,热氧化失效时间延长了100多小时,具有较佳的隔热效果、抗热震性能以及抗高温氧化性能。     

粉末合成工艺及特性对铈酸镧热障涂层性能影响

分别使用固相合成和化学合成工艺制备了铈酸镧(La2Ce2O7,LCO)材料,采用喷雾干燥造粒方法制备了喷涂粉末,采用等离子喷涂工艺制备了LCO/7YSZ双层结构热障涂层,系统对比研究了粉末材料及涂层的性能.分析发现,化学合成的超细LCO材料所形成的陶瓷涂层,可有效地减少涂层中横向微裂纹的生成,同时会明显提高热障涂层的弯折性能、结合强度和热震寿命.     

INFLUENCE OF TOP TEMPERATURE OF THERMAL CYCLE ON THERMAL STRESS/STRAIN AND THERMAL FATIGUE BEHAVIOR OF PURE IRON

１．ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＦｉｇ．１　ＴｈｅｒｍａｌｆａｔｉｇｕｅｔｅｓｔｍａｃｈｉｎｅｗｉｔｈＯｕｔｅｒｃｉｎｓｔｒａｉｎｔＴｈｅｄａｍａｇｅｃａｕｓｅｄｂｙｔｈｅｒｍａｌｆａｔｉｇｕｅｉｓｏｎｅｏｆｔｈｅｍａｉｎｆａｉｌｕｒｅｆｏｒｍｓｏｆｍｅｔａｌｗｏｒｋｉｎｇｐｉｅｃｅｓｕｎｄｅｒｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｖａｒｉａｔｉｏｎｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．Ａｌｏｔｏｆｔｈｅｒｍａｌｆａｔｉｇｕｅｔｅｓｔｓｃｏｎｃｅｒｎｉｎｇｔｈｅｆａｉｌｕｒｅｗｅｒｅｃｏｎｄｕｃｔｅｄｏｎｔｈｅｖａｒｉｏｕ…     

Thermal conductivity of a zirconia thermal barrier coating

The conductivity of a thermal-barrier coating composed of atmospheric plasma sprayed 8 mass percent yttria partially stabilized zirconia has been measured. This coating was sprayed on a substrate of 410 stainless steel. An absolute, steady-state measurement method was used to measure thermal conductivity from 400 to 800 K. The thermal conductivity of the coating is 0.62 W/(m×K). This measurement has shown to be temperature independent.     

等离子喷涂Sm_2Zr_2O_7热障涂层的热冲击性能数值模拟

利用ANSYS软件对2Cr13、1Cr13Ni9Ti基体等离子喷涂的Sm2Zr2O7热障涂层在热冲击过程中的热应力分布进行了数值模拟,并比较了不同基体对涂层热冲击性能的影响.结果表明,热冲击过程中在涂层表面均存在较大的径向冲击热应力,同时在表面陶瓷层/金属粘结层界面处存在较大的应力梯度,2Cr13基体涂层的热冲击性能优于1Cr13Ni9Ti基体涂层,有限元计算结果与试验结果吻合良好.     

SnAgCu／Cu界面热循环及时效条件下化合物的生长行为

通过对等温时效与温度循环两种条件下钎料与基板间金属间化合物（IMC）生长的对比．研究了界面IMC生长的规律。采用了两条低温极限不同保温时间和循环周期相同的循环曲线,等温时效温度采用循环高温峰值温度。结果表明,随着循环周期的增加,界面IMC层的厚度增加,且低温极限温度越低时IMC生长越快。与时效条件下界面IMC生长的对比表明,在高温阶段保温时间相同时,时效条件下界面IMC的生长速率快于循环条件。     

等离子喷涂Gd2Zr2O7-SrZrO3复合陶瓷涂层的微观结构和性能

通过固相反应法合成了Gd2Zr2O7-SrZrO3 (GZSZ,Gd2Zr2O7:SrZrO3=7:3)复合陶瓷粉末,并采用喷雾造粒法和大气等离子喷涂法分别制备了适合等离子喷涂使用的相应喷涂粉末及涂层。使用X射线衍射、扫描电子显微镜对粉末和涂层的相组成、显微结构进行分析。借助激光热导仪、高温热膨胀仪对涂层的热扩散系数和热膨胀系数、烧结系数进行了表征。结果表明,制备的GZSZ复合陶瓷粉末和涂层都由Gd2Zr2O7和SrZrO3两相组成,粉末中的Gd2Zr2O7为烧绿石结构,而涂层中的Gd2Zr2O7为萤石结构,SrZrO3都为钙钛矿结构。制备态GZSZ涂层的孔隙率为~14%。GZSZ涂层1400℃热处理5 h后的热膨胀系数为(9.8~11.2)×10-6 K-1。制备态GZSZ涂层的热导率为~0.8 W·m-1·K-1,与制备态SrZrO3涂层的热导率~1.0 W·m-1·K-1相比降低~20%。1400℃热处理360 h后GZSZ涂层的热导率增加到~1.5 W·m-1.K-1。综上表明,GZSZ涂层是一种很有前景的复合陶瓷热障涂层材料。     

机械形体热变形的非相似性研究

机械零件在工作温度和环境温度偏离标准设计温度后,其形状会发生改变,但由于温度场分布的不均匀性、构件材料的原子间距、内部缺陷形态等因素的影响,使得构件的热膨胀不能自由发生,导致构件热变形前后在形状上具有非相似性,理论和实验都证明这种非相似性是普遍存在的。     

Anisotropic thermal conductivities of plasma-sprayed thermal barrier coatings in relation to the microstructure

Anisotropic thermal conductivities of the plasma-sprayed ceramic coating are explicitly expressed in terms of the microstructural parameters. The dominant features of the porous space are identified as strongly oblate (cracklike) pores that tend to be either parallel or normal to the substrate. The scatter in pore orientations is shown to have a pronounced effect on the effective conductivities. The established quantitative microstructure-property relations, if combined with the knowledge of the processing parameters-resulting microstructure connections, can be utilized for controlling the conductivities in the desired way.     

The effect of a high thermal gradient on sintering and stiffening in the top coat of a thermal barrier coating system

Superalloy substrates coated with plasma-sprayed CoNiCrAlY bond coats and yttria-stabilized zirconia top coats (TCs) have been subjected to a high heat flux under a controlled atmosphere. The sintering exhibited by the TC under these conditions has been studied and compared with the behavior observed during isothermal heating. Sintering has been characterized by (a) microstructural examinations, (b) dilatometry, in both the in-plane and through-thickness directions, and (c) stiffness measurements, using both cantilever bending and nanoindentation. A numerical model has been used to explore the stress state under isothermal and thermal gradient conditions. Dilatometry data indicate significant linear contractions during holding at elevated temperatures, particularly in the through-thickness direction. This is largely attributed to microstructural changes associated with sintering, with any volume changes due to phase transformations making relatively small contributions. Sintering proceeds faster at higher temperatures but is retarded by the presence of tensile stresses (from differential thermal expansion between the coating and substrate) within the TC. Thus, it occurs preferentially near the free surface of the TC under gradient conditions, not only due to the higher temperature, but also because the in-plane stress is more compressive in that region.     

热模拟技术在铸造领域的应用

热模拟技术作为一种较为成熟的物理模拟技术,已在结构焊接、锻轧、热处理等方面获得了广泛应用,但在铸造领域远没有获得充分开发和应用.本文针对铸造合金半固态成形、热处理、补焊/焊接等过程,分析了其热/力条件,介绍了热模拟技术在铸造合金的流变性能、组织与力学行为及铸造数值模拟等方面研究的方法和实例,展望了热模拟技术在铸造领域中的应用前景.     

316不锈钢的裂纹扩展性能

从实用出发对3168不锈钢管材进行了热循环下的裂纹扩展试验,试验表明该材料在交变热应力下的裂纹扩展速率缓慢,带裂纹的管道在监督下可以继续运行。