化学镀镍对碳纤维增强聚酰亚胺表面WC/Co涂层抗热震性能的影响

在航空发动机涡轮叶片用碳纤维增强聚酰亚胺(C/PMR15)复合材料表面喷涂WC/Co涂层可以提高其抗氧化耐冲刷性能,采用整体热震法能够评定涂层与基体的结合力.研究了在C/PMR15基体上化学镀镍作为粘结底层对WC/Co喷涂层抗热震性能的影响,并与喷涂PMR15粉末作为过渡层的方法进行了比较.结果表明,在PMR15过渡层上不能得到完整的后续涂层,在化学镀镍粘结底层上可得到连续致密的镍基合金层和WC/Co涂层,镀镍层大幅度提高了基体抗氧化能力,缓和了WC/Co涂层和基体界面位置的热应力,涂层抗热震性提高.     

等离子喷涂功能梯度涂层抗热震性研究

对等离子喷涂方法制备的金属-陶瓷功能梯度涂层的抗热震性能进行了研究,结果表明:2mm厚金属陶瓷功能梯度涂层整体热震35次后涂层从铝基体上整体剥落失效,主要原因为热震冷却时最大热应力位置在基体与涂层界面位置,位于试样边缘处靠近基体一侧,使铝基体产生周期塑性变形,最终导致基体与涂层的热疲劳失效,同时基体与涂层中金属组元的氧化行为促进了涂层的剥落.     

去应力退火对等离子喷涂ZrO2-NiCoCrAlY热障涂层热震性能的影响

研究了等离子喷涂ZrO2-NiCoCrA1Y不同结构热障涂层的硬度分布800℃和1000℃温度下的热震性能。并进一步研究了去应力退火对涂层热震性能的影响。结果表明,与非梯度涂层相比,梯度涂层具有较平缓的硬度分布,不存在金属与陶瓷层界面间的硬度突变。热循环温度增加,使抗热震性能降低,但梯度涂层在两种温度下均具有较高的抗热震性。去应力退火处理较显著地提高了涂层的抗震性。     

碳纤维增强聚酰亚胺复合材料表面梯度涂层制备与组织性能研究

在碳纤维增强聚酰亚胺基体上设计了Ni-Ni/Cr-WC/Co和PI-Ni/Cr-WC/Co两种表面梯度涂层,并对其进行微观组织分析和抗热震性能测试,结果表明,采用化学镀镍和超音速火焰喷涂复合工艺得到的Ni-Ni/Cr-WC/Co梯度涂层结构较为致密,与基体结合较好,涂层经300次热震后无明显变化;采用超音速火焰喷涂得到的PI-Ni/Cr-WC/Co梯度涂层结构疏松,与基体结合力差,涂层经273次热震后完全脱落.镀镍层与基体能够通过机械力和原子力结合,也可以与镍铬合金层通过冶金结合、机械嵌合结合,同时在缓解涂层应力等方面起到重要作用,从而有效提高了梯度涂层的结合强度.     

等离子弧喷涂Al2O3陶瓷涂层低温抗热震性能的研究

为研究等离子弧喷涂Al2O3陶瓷涂层的低温抗热震性能,对不同结构的涂层进行了600 ℃低温热震试验,并分析、探讨了涂层的热震失效机制.结果表明,Al2O3陶瓷涂层低温下热震失效是由层间裂纹或层内裂纹引起的.对于单一Al2O3涂层,涂层与基体的界面是最薄弱处,层间裂纹的萌生及扩展导致涂层自界面处脱落;对于有FeCrAl金属过渡层的涂层,层内粒子间的结合是最薄弱处,层内片层间裂纹的萌生、扩展导致涂层局部脱落.在陶瓷工作层与基体间增加金属过渡层可有效地缓和涂层界面处的热应力,阻碍裂纹的形成及扩展,从而提高涂层的抗热震性能.     

强流脉冲电子束粘结层表面改性对热障涂层热震及残余应力的影响

采用等离子喷涂技术在GH4169镍基高温合金表面制备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,使用APS技术在CoCrAlY表面沉积陶瓷层制备改性热障涂层。对粘结层蒸镀铝膜表面改性涂层和普通涂层分别进行热震实验、结合强度测试和残余应力分析。实验发现,在1 050 ℃高温加热后10 ℃水淬的冷热循环条件下,改性涂层的抗热震性能优于普通涂层;热震过程中改性涂层和普通涂层热生长氧化物内产生的残余应力均为压应力,且随热震次数的增加而增大,改性涂层热生长氧化物内残余压应力增长速度小于普通涂层。拉伸结果显示,普通涂层的断裂属于混合断裂,而改性涂层断裂基本发生在陶瓷层和薄膜胶界面,未发现层间断裂。改性涂层结合强度优于普通涂层。实验结果表明,采用电子束蒸发镀膜和强流脉冲电子束技术相结合对粘结层进行熔敷铝膜的表面改性处理,可以显著提高热障涂层冷热循环服役寿命。     

晶界“背脊”形貌对热障涂层热冲击寿命的影响

采用化学气相沉积和电子束物理气相沉积工艺在镍基单晶高温合金基体上制备了(Ni,Pt)Al/YSZ(Yttira stabilized zirconia,YSZ)热障涂层(Thermal barrier coatings,TBCs),研究了TBCs涂层在1100℃的抗热冲击性能。结果表明,陶瓷涂层的剥落位置主要出现在热生长氧化物(Thermally grown oxide,TGO)层/粘结层的界面或者TGO层内部。试验过程中,粘结层表面晶粒晶界"背脊"形貌共存、TGO层下方孔洞形成、陶瓷层内纵向裂纹延伸和TGO层内残余应力释放均是导致TBCs涂层过早剥落失效的主要原因。     

陶瓷／金属梯度热障涂层的制备及性能评价

为了评价陶瓷／金属梯度热障涂层的性能，设计了4种涂层方案和2种基体材料（1Cr18Ni9Ti和2Cr13）．利用单枪单送粉器成功地制备了线性梯度涂层．通过观察涂层的微观结构、测量涂层的抗热震性能和热残余应力来评价涂层的性能．利用扫描电镜对各种陶瓷涂层的微观结构进行了观察和分析，利用X射线能谱分析得到了陶瓷梯度涂层试样中的不同区域的衍射图．热震试验表明，梯度涂层比非梯度涂层具有更好的抗热震性能．采用钻孔法对不同涂层方案进行了残余应力的测量，结果表明，压应力出现在1Cr18Ni9Ti基体材料上，而拉应力出现在2Cr13基体材料上．     

溶胶-凝胶法制备金属基铝硅酸盐陶瓷涂层

采用溶胶－凝胶法,在不锈钢基体上制备铝硅酸盐陶瓷涂层,对涂层微观结构进行了分析,研究了涂层化学组成、涂最度对抗热震性、抗氧化性的影响,结果表明：涂氢化学组成为３Ａｌ２Ｏ３．２ＳｉＯ２、厚度２μｍ时,制备的涂层材料与基体结合紧密、显微结构致密均匀,有良好的抗热震、抗氧化性能。     

SiC纤维/YSZ复合热障厚涂层韧性及热震性能研究

采用大气等离子喷涂(APS)技术, 以ZrO₂-8wt%Y₂O₃(8YSZ)和团聚的P7216(8YSZ和珍珠岩粉)粉末为原料, 在基体上制备了厚度大于4 mm的SiC纤维/YSZ(SFY)复合厚热障涂层, 通过扫描电子显微镜(SEM)分析了涂层的显微结构, 发现SFY涂层具有钢筋混凝土结构, 这种结构能够防止因为涂层厚度增加而引起的失效。此外, 基于计算机的断层成像技术分析热障涂层孔隙率的变化, 考察了SFY涂层和YSZ 热障涂层的抗热震性能、断裂韧性以及热导率性能, 并探讨了纤维的增韧机制。研究结果表明, SFY涂层具有更高的断裂韧性值和更好的抗热震性能, 25℃时SFY涂层的热导率为0.632 W/(m·K), 大约是传统YSZ热障涂层热导率的一半。SiC纤维对涂层内部裂纹的偏转和截止作用, 防止了裂纹扩散长大, 形成网状微裂纹结构, 有效提高了涂层的抗热震性能和断裂韧性。     

常规和纳米ZrO_2-7%Y_2O_3等离子喷涂热障层及其激光重熔后的抗热震性能

为了探讨激光重熔对等离子喷涂常规和纳米热障涂层(TBCs)的影响,采用等离子喷涂工艺在γ-TiAl合金表面制备了常规和纳米ZrO2-7%Y2O3TBCs,并对其进行激光重熔处理,研究了等离子喷涂常规TBCs、激光重熔-等离子喷涂常规TBCs、等离子喷涂纳米TBCs及激光重熔-等离子喷涂纳米TBCs 4种涂层在850℃下的抗热震性能。结果表明:4种TBCs热震失效次数依次为73,118,146,163次,相应的热震破坏形式分别为整体剥落、局部剥落、边角剥落和局部剥落;纳米结构有利于提高涂层的抗热震性能;激光重熔在一定程度上改善了等离子喷涂层的抗热震性能。     

Modified Ni/Pd/Au-finished DBA substrate for deformation-resistant Ag–Au joint during long-term thermal shock test

An Ag–Au joint developed by Ag paste joining on electroless nickel/electroless palladium/immersion gold (ENEPIG)-plated direct-bonded aluminum (DBA) substrate was employed in SiC (Silicon carbide) power modules. The ENEPIG plating was modified to possess high mechanical strength by thickening the Ni layer to 20 μm. The reliability of SiC/DBA die-attached module by Ag–Au joining was evaluated during a long-term thermal shock test (TST) from ??50 to 250 °C up to 2000 cycles. The shear strength of as-sintered Ag–Au joint was evaluated to be 37.6 MPa, but it showed a significant decrease after 1000 thermal cycles and maintained stably from 1000 cycles to 2000 cycles. Based on the microstructural evolution via EBSD observation, it was confirmed, by modifying ENEPIG, the Ag–Au interfacial deformation derived from Al plastic deformation was successfully suppressed even after 2000 cycles. In this case, the mechanism for shear strength degradation was found to be the interfacial delamination between Ag paste layer and ENEPIG substrate. This can be ascribed to the large thermal stress caused by different coefficients of thermal expansion (CTE) of power module components. This study not only realized the deformation-free structure for Ag–Au joint during long-term thermal cycling but also provided fundamental insights for fracture behaviors of Ag–Au sinter joint.

     

Electrical properties and interfacial reaction of BGA package with underfill

This study evaluated the electrical properties and interfacial reaction of the ball grid array (BGA) packages with various underfills under thermal shock and isothermal aging conditions. The BGA packages were composed of two surface finishing materials on the bottom substrate, viz. bare Cu and electroless nickel-immersion gold (ENIG). The thickness of the intermetallic compounds (IMCs) formed at the interface between the solder and substrate increased with increasing number of thermal shock cycles and isothermal aging times. Also, the growth rate of the IMCs during the isothermal aging condition was faster than that during the thermal shock condition. The electrical resistance of the BGA package with the underfill was lower than that of the BGA package without the underfill under thermal shock condition. The electrical resistance of the underfill with silica particles was lower than that of the underfill without silica particles.     

镀铝表面改性7YSZ纳米热障涂层热震性能分

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ZrO₂原位反应形成的致密α-Al₂O₃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。     

CMAS环境下电子束物理气相沉积热障涂层的热循环行为及失效机制

航空发动机涡轮叶片工作时表面经常产生CaO-MgO-Al₂O₃-SiO₂(简称CMAS)等沉积物。本文中研究了电子束物理气相沉积(EB-PVD)制备ZrO₂热障涂层(TBCs)在CMAS环境下的热循环行为及失效机制。结果表明, 在1200℃热冲击条件下, 表面涂覆CMAS的热障涂层的热循环寿命低于100次, 而未涂覆CMAS的涂层寿命达到500次以上, CMAS 的存在加速了热障涂层的剥落失效。在1200℃经过210次循环后, ZrO₂陶瓷层与CMAS之间形成了约8 μm厚的互反应区, 其形成主要与CMAS中Ca²⁺内扩散有关。CMAS环境下热障涂层陶瓷层产生大量横向裂纹, 涂层的失效主要以陶瓷层片状剥落为主。     

ZrO2-Ni功能梯度材料的热冲击与热疲劳行为

通过抗热震参数分析和热循环试验研究了ZrO2-Ni功能梯度材料（FGM）的热冲击与热疲劳行为及其影响因素。结果表明,ZrO2-Ni FGM热热震参数呈梯度分布,ZrO2侧抗热冲击断裂能力强而富Ni区热疲劳抗力高。其热震破坏符合热疲劳损伤机理,裂纹的准静态扩展为其控制因素。热疲劳裂纹在梯度层内以微孔聚集、连接方式萌生和扩展,而在梯度层间无横向贯穿裂纹,克服了传统陶瓷／金属结合体的界面热应力剥离问题。     

钨铜梯度材料热震过程中显微组织及热性能

针对目前W-Cu功能梯度材料(FGM)在长期热震循环过程中的稳定性缺乏相应研究的问题,以化学镀W-10wt%Cu复合粉体和Cu粉为原料,通过叠层压制和常压气氛烧结的工艺制备了W-10wt%Cu/W-20wt%Cu/W-30wt%Cu层状梯度材料。在600℃、800℃、1000℃温度下进行热震试验,对试样在不同热震温度、热震次数下的显微组织和热学性能变化进行了研究。试验结果表明,随着热震温度升高,渗出至试样各梯度层表面的Cu逐渐增加。当热震温度达到1000℃时,试样各梯度层表面出现大量Cu聚集成片的现象,同时在W-20wt%Cu/W-30wt%Cu界面处发现了界面裂纹。随着热震次数的提高,在W-10Cu层中,Cu逐渐渗出表面并在内部留下微孔。此外,W-Cu FGM的热导率随热震次数的增加而减小,在1000℃经过200次热震后,室温热导率由200.54 W·(m·K)?1降至159.23 W·(m·K)?1,降低了20.60%。该结果揭示了热震循环中裂纹形成与显微组织变化的耦合失效机制,明确了W-Cu FGM安全服役的范围。