Ba(Mg1/3Ta2/3)O3热障涂层的制备及抗热震性能研究

本文以BaCO₃、MgO、Ta₂O₅为原料,采用固相反应法合成了Ba(Mg_1/3Ta_2/3)O₃(简称BMT)陶瓷粉末,利用大气等离子喷涂技术制备了BMT/YSZ双层陶瓷涂层。利用XRD、SEM和金相显微镜检测了BMT粉体及涂层的物相组成和显微结构。采用水淬法考核了涂层的抗热震性能。结果表明：1450℃下煅烧4h可合成出具有复合钙钛矿结构的BMT粉末,粉末具有良好的高温相结构稳定性。等离子喷涂制备的BMT/YSZ涂层组织致密,涂层系统中各界面结合紧密。涂层在室温至1150℃间热震9次后发生片状剥落,剥落位置位于BMT层间,BMT材料低的断裂韧性和第二相Ba₃Ta₅O₁₅的存在是导致涂层失效的主要原因。     

YSZ/Sm_2Zr_2O_7复合粉体制备及性能

采用球磨造粒法制备Sm_2Zr_2O_7(SZO)和Y_2O_3部分稳定ZrO_2(YSZ)复合粉体,对造粒团聚体的尺寸、形貌及相结构进行了表征。并采用大气等离子制备SZO/YSZ复合涂层,研究等离子喷涂过程对复合粉体相结构和相稳定性的影响。用扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射(XRD)分析了YSZ/SZO复合粉体和涂层的微观组织和相结构,并利用差示扫描量热法(DSC)研究复合粉体稳定性。结果表明:SZO和YSZ复合团聚粉体表面光滑致密,室温呈混合相结构。在室温～1200°C范围内无相变发生,说明YSZ/SZO粉末在该范围内较为稳定。等离子喷涂YSZ/SZO涂层呈典型层状组织结构,涂层成分和组织分布较为均匀,与单一SZO涂层相比,复合陶瓷涂层结合强度得到了提高。但等离子喷涂过程中SZO与YSZ发生离子扩散,粉体稳定性下降,SZO发生有序-无序转变,涂层呈现单一萤石结构。     

等离子喷涂Gd_2Zr_2O_7-SrZrO_3复合陶瓷涂层的微观结构和性能

通过固相反应法合成了Gd_2Zr_2O_7-SrZrO_3 (GZSZ,Gd_2Zr_2O_7:SrZrO_3=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Gd_2Zr_2O_7和SrZrO_3两相组成,粉末中的Gd_2Zr_2O_7为烧绿石结构,而涂层中的Gd_2Zr_2O_7为萤石结构,SrZrO_3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SrZrO_3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。     

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。     

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.     

高温燃气下CMAS混合盐覆盖对YSZ热障涂层性能的影响

分别采用大气等离子喷涂(APS)和等离子喷涂-物理气相沉积(PS-PVD)两种工艺方法制备YSZ(Y_2O_3稳定ZrO_2)热障涂层,同时在YSZ涂层表面沉积CMAS(CaO-MgO-Al_2O_3-SiO_2)混合盐,研究高温燃气持续加热下两种YSZ涂层的抗CMAS腐蚀行为。采用SEM、EDS、XRD等检测手段表征热障涂层腐蚀前后的微观结构、成分及物相变化。结果表明:APS-YSZ涂层在高温下经CMAS渗透后从基体整块剥落,涂层快速失效,而PS-PVD-YSZ涂层经高温燃气加热后同样被CMAS渗入,但并未发生明显涂层剥落,抗CMAS腐蚀剥落性能明显优于APS-YSZ涂层。分析表明CMAS混合盐对YSZ层的失效作用主要表现为热机械作用,其中APS-YSZ涂层应变容限较小,在涂层冷却过程中出现整块剥离现象,而PS-PVD-YSZ涂层应变容限较大,抗热震性好,涂层未出现整块剥离现象。     

等离子喷涂SrZrO_3热障涂层的CaO-MgO-Al_2O_3-SiO_2(CMAS)腐蚀行为

采用固相法合成SrZrO_3粉末并对合成的粉末进行喷雾造粒,采用大气等离子喷涂(APS)制备SrZrO_3热障涂层(TBCs)。将合成的SrZrO_3粉末与Ca O-Mg O-Al_2O_3-SiO_2(CMAS)粉末混合,以及在等离子喷涂SrZrO_3涂层表面涂覆CMAS粉末,分别在1150和1250℃进行腐蚀行为研究,分别使用XRD和SEM对腐蚀产物相和涂层显微结构进行表征。结果表明:在1150℃下,SrZrO_3粉末不与CMAS发生腐蚀反应;当温度升高到1250℃时,两者发生反应,腐蚀1 h后生成ZrSiO_4,CaZrO_3,SrAl_2O_4和t-ZrO_2,而腐蚀4 h后出现新相m-ZrO_2。在1250℃下,随着腐蚀时间增长,反应生成的t-ZrO_2转变为m-ZrO_2,此时的腐蚀产物层可抑制CMAS的进一步腐蚀。     

YAG/8YSZ双陶瓷热障涂层等温氧化性能研究

本文对比研究了YAG/8YSZ双陶瓷和8YSZ单陶瓷热障涂层体系的抗高温氧化性能。采用爆炸喷涂(D-GUN)在310S耐热不锈钢基体上制备粘结层(NiCoCrAlY),用大气等离子喷涂(APS)分别在粘结层试样上制备YAG/8YSZ双陶瓷和8YSZ单陶瓷热障涂层,利用SEM和XRD分析涂层氧化前后截面与表面特征,对比研究2种热障涂层体系在1100 ℃等温氧化不同时间后的氧化增重动力学、YAG陶瓷层微观结构与物相及TGO生长过程和生长动力学。结果表明,YAG陶瓷层在1100 ℃等温氧化200 h后无明显相结构转变,孔隙率稍有降低;YAG/8YSZ双陶瓷层体系较8YSZ单陶瓷层体系氧化增重速率降低1.7倍,TGO生长速率降低1.4倍,粘结层β-NiAl相消耗速度及岛状氧化物生长速度更低,表现出更好的抗高温氧化性能。     

TC4钛合金表面Al_2O_3-TiO_2涂层的制备及其性能

利用等离子喷涂在TC4钛合金基体上制备了Al_2O_3-Ti O_2涂层。并进行了涂层表面形貌分析、XRD分析、涂层显微硬度测试及热震性试验等。结果表明:等离子喷涂制备的Al_2O_3/Ti O_2涂层呈层状分布,存在有全熔相区和未熔粉末颗粒及一定数量的孔隙;随喷涂电压的增加,涂层中未熔粉末颗粒减少,涂层表面平均硬度升高。在喷涂电压72 V,电流500 A时制备的Al_2O_3/Ti O_2涂层平均硬度达978.2 HV 0.3,耐磨性较基体显著提高。涂层与过渡层、过渡层与基体的机械结合是其热震性能较低的主要原因之一。     

SiC-Al2O3-SiO2复合陶瓷涂层组织结构及抗烧蚀性能研究

目的提高C/C复合材料的抗氧化性能。方法采用大气等离子喷涂在C/C复合材料表面制备SiC-Al_2O_3-SiO_2(SAS)复合陶瓷涂层,并选用氧-乙炔在1500℃对涂层进行抗氧化烧蚀性能考核。利用XRD、SEM、EDS等检测分析手段,对团聚粉末和球化粉体以及烧蚀前后涂层的成分及组织进行检测。结果经过等离子球化处理后,三种粉体流动性为90 s/50 g左右,粉末松装密度为1 g/cm~3左右。与团聚的SiC-Al_2O_3-SiO_2粉体相比,粉末流动性提升了20%左右,松装密度提高了20%,更加适宜等离子喷涂工艺。采用球化处理SiC-Al_2O_3-SiO_2粉体制备得到的涂层组织明显优于采用团聚粉体制备的涂层,涂层致密区域明显增大,内部缺陷数量和尺寸减少。在1500℃烧蚀600s后,SiC-36%Al_2O_3-4%SiO_2涂层具有最佳的抗烧蚀效果,涂层整体完整,质量烧蚀率为1.62×10~(-4) g/s。结论 SiC-Al_2O_3-SiO_2体系解决了等离子喷涂制备SiC涂层过程中沉积率低、SiC分解的问题。SiC-Al_2O_3_-SiO_2涂层具有良好的抗氧化烧蚀效果,烧蚀过程中SiO_2和Al_2O_3形成的莫来石相具有良好的高温稳定性、抗热震性以及较低的热膨胀率和氧扩散率,可以进一步提高涂层的抗氧化烧蚀效果。     

等离子喷涂铈酸镧热障涂层性能研究

采用固相反应在1 400℃合成了具有萤石结构的铈酸镧(LCO)粉末。考虑到等离子喷涂过程中CeO2挥发高于La2O3,通过对合成粉末原始配比进行调整,制备出的等离子喷涂LCO涂层符合La2Ce2O7化学计量比。LCO涂层在1 400℃下,热处理110h后未发生分解现象。隔热性能测试结果表明,相同厚度的双层结构LCO/YSZ涂层,在1 250℃下隔热性能约为YSZ涂层的2倍。     

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。     

燃气热冲击对PS-PVD和APS热障涂层的微结构和隔热性能的影响

采用等离子喷涂-物理气相沉积(PS-PVD)和大气等离子喷涂(APS)技术分别制备柱状和层状YSZ陶瓷层,在1 250℃的燃气热冲击下对比研究两种涂层体系的微结构演变和隔热性能变化。结果显示,燃气热冲击后PS-PVD和APS制备的两种YSZ层主要由t'相和c相构成。APS制备的YSZ层微裂纹不断生长开裂并出现局部层状剥落,而PS-PVD制备的YSZ层的"菜花头"间隙不断增大并出现局部"菜花头"剥落。同时表明,PS-PVD制备的热障涂层在长期燃气热冲击时抗氧化性及隔热效果均优于APS制备的热障涂层。     

纳米掺杂Al2O3＋13wt% TiO2等离子喷涂涂层的抗磨损性能

采用纳米掺杂(5%～30%)方法制备出纳米包覆微米级粒子的AT13等离子喷涂粉末,并利用大气等离子喷涂技术制备出了含有纳米复相结构的陶瓷涂层.在MM-200型磨损试验机上进行了常温干摩擦试验,比较了纳米复相结构涂层和传统陶瓷涂层的耐磨性能,利用扫描电镜观察了磨损后的磨痕形貌.结果表明,纳米复相涂层的耐磨性能明显好于传统陶瓷涂层,且随着磨损载荷的增大,纳米复相涂层和传统涂层的磨损机制的变化是不同的,传统涂层的磨损机理主要是微裂纹和颗粒的剥落,而相同条件下纳米复相涂层则由于涂层韧性的提高,主要表现为涂层的粘着磨损与局部剥落,并对纳米掺杂等离子喷涂涂层对AT13涂层磨损机制的影响进行了探讨.     

Al_2O_3/MoS_2复合涂层的制备及摩擦磨损性能

以大气等离子喷涂工艺制备的Al_2O_3陶瓷涂层为模板,利用陶瓷涂层中存在的孔隙和微裂纹,采用水热反应在其内部原位合成具有润滑特性的MoS_2,制备出Al_2O_3/MoS_2的复合涂层。结果表明,通过水热反应在陶瓷涂层原有的微观缺陷中成功合成了MoS_2,合成的MoS_2固体粉末呈类球形状,并且这球状的粉末是由纳米片层状的MoS_2搭建组成的。摩擦试验结果表明,与纯Al_2O_3涂层相比,复合涂层中由于MoS_2润滑膜的形成,其摩擦因数和磨损率都显著降低,且载荷越大,复合涂层的摩擦性能越好。     

DD90单晶高温合金热障涂层抗氧化及热循环性能

在第3代单晶高温合金DD90上制备热障涂层,采用超音速火焰喷涂(HVOF)制备NiCrAlY+NiCoCrAlTaY双层结构的粘结层,大气等离子喷涂(APS)制备YSZ和MSZ/YSZ结构的陶瓷层。在1150℃抗氧化试验中,YSZ涂层增重量明显高于MSZ涂层。在1200℃热循环250次后,2种涂层没有发生明显相变,MSZ涂层抗烧结性更优异。2种涂层TGO主要由Al₂O₃及少量尖晶石结构的混合氧化物组成。双层粘结层减少了Al元素向基材的扩散,而Cr元素由于浓度梯度扩散导致拓扑密堆(tcp)相的析出及二次反应区(SRZ)深度的增加。     

复合钙钛矿型Ba(Zn1/3Ta2/3)O3陶瓷作为热障涂层陶瓷层材料的性能评价

以BaCO₃、ZnO、Ta₂O₅为原料,采用固相反应法制备了Ba(Zn_1/3Ta_2/3)O₃(BZT)陶瓷材料。对BZT的物相结构、高温相稳定性、热导率、热膨胀系数和喷涂工艺适应性进行表征研究,并与同类Ba(Mg_1/3Ta_2/3)O₃(BMT)、Ba(Ni_1/3Ta_2/3)O₃(BNT)和Ba(Sr_1/3Ta_2/3)O₃(BST)对比,以评价BZT作为热障涂层陶瓷层材料的应用潜力。结果表明,BZT在室温至1500℃内无相变,且经1600℃长时处理48 h后不分解,表现出良好的高温相稳定性;在1200℃,BZT的热导率仅为1.65 W·m^-1·K^-1,明显低于BMT(2.57 W·m^-1·K     

等离子喷涂La2(Zr0.7Ce0.3)2O7热障涂层的抗热震性能

采用等离子喷涂制备了La₂(Zr_0.7Ce_0.3)₂O₇（LZ7C3）热障涂层,并对涂层的微观组织、相结构、成分、相稳定性、涂层热导率以及抗热震性能进行了研究.结果表明,LZ7C3涂层由单相烧绿石结构物质组成,高温稳定性较好;涂层的热导率较块材下降约20%,这是由于涂层具有较高的孔隙率所致:涂层在不同温度范围的热震寿命和失效机制不同,在室温至约1000℃间的热震寿命为116 cyc,涂层失效方式以片状剥落为主:在室温至1100℃间的热震寿命为53 cyc,涂层失效方式为片状剥落和层状撕裂;在室温至1200℃间的热震寿命为3 cyc,涂层失效方式以层状撕裂为主.     

等离子喷涂氧化铝涂层的热震性能及微观组织特征

以团聚氧化铝复合颗粒为原料,采用等离子喷涂法,变化特征喷涂参数(CPSP),在Q235钢表面制备陶瓷涂层。对制备的涂层进行热震性能测试,并用扫描电镜和X射线衍射仪分析粉末和热震性能较优涂层的微观结构和相组成特征。结果表明:随特征喷涂参数(CPSP)值的上升,热震循环次数先增大后降低;以适中的特征喷涂参数(CPSP=750 A.V/L.min-1)制备的陶瓷涂层,热震循环次数最大;其微观结构为典型的双模结构,由部分熔化区和完全熔化区组成;涂层中主要物相为γ-Al2O3、α-Al2O3和Al2TiO5。     

NiAl/NiCoCrAlY/8YSZ复合喷涂层的微观结构与性能研究

目的提高金属/陶瓷隔热涂层体系在海洋环境下的耐腐蚀性能。方法利用冷喷涂方法制备NiAl复合打底层和Ni CoCrAlY粘结层,与等离子喷涂制备的8YSZ陶瓷层构成适用于海洋环境的多层结构耐蚀隔热涂层体系。利用FE-SEM分别观察喷涂态粘结层和陶瓷层的表面、横截面形貌,通过EDS分析涂层元素分布;利用XRD分析表征涂层的物相组成;借助万能材料试验机,采用拉伸法测试涂层结合强度;利用热循环试验和焰流冲刷试验测试涂层的耐高温性能。结果微观分析表明,冷喷涂制备的NiAl复合打底层和Ni CoCrAlY粘结层形貌致密,涂层材料未发生明显氧化,颗粒变形程度不一,粘结层与基体间的结合强度约为18.4 MPa,粘结层与8YSZ陶瓷层界面结合紧密。陶瓷层物相结构和成分稳定,涂层经12次热震循环和1000个周期的高温焰流冲击后,表面未出现开裂、起皮和脱落。结论采用冷喷涂法和等离子喷涂法联合制备的耐蚀隔热复合涂层体系具备良好的耐热性和耐腐蚀性。冷喷涂制备的金属涂层结构致密,孔隙率低,与陶瓷层结合良好,能够有效提高涂层体系在腐蚀性环境中的耐蚀性能。NiAl复合涂层可以缓解Ni CoCrAlY粘结层和铝合金基材间的热匹配问题,增强涂层的结合性能。