熔滴温度对大气等离子喷涂Ni 基合金扁平粒子界面结合的影响

涂层内粒子层间的结合质量决定涂层的性能与服役效能, 理解界面结合形成过程规律与机制, 有利于发展 增强界面结合的有效方法。 本文采用 NiCr-Mo 粉末来提高熔滴温度, 并在不同温度下沉积单个扁平粒子, 研究 了熔滴温度对界面结合的影响规律。 采用 FIB 制样和 TEM 微观结构分析技术, 对扁平粒子与基体间界面进行精 细表征, 并结合高温熔滴铺展过程的数值模拟, 研究熔滴温度对扁平粒子与基体间界面结合的影响规律。 结果表 明, 温度为 2150 ℃的 NiCr 熔融粒子因温度低, 铺展中无法分散基体表面氧化膜, 而在界面形成由金属 - 氧化膜 - 金属呈三明治结构的化学结合, 结合率较低, 低于 40%; 温度为 2650 ℃的 NiCr-Mo 熔滴在扁平化铺展中可引起 中心区域的基体表面熔化, 引发基体表面氧化膜分散化, 从而使中心区域在界面处通过熔融金属融合形成冶金结 合, 在该区域以远的界面则通过氧化膜形成化学结合, 界面结合率接近 80%。 模拟结果表明随着熔滴温度的增加, 铺展中界面温度升高, 超过熔点的界面区域增大, 基于熔合的界面冶金结合率增加至约 65%, 但受到扁平粒子直 径随温度增加的制约, 冶金结合率难以进一步大幅度提升。 因此, 为了通过热喷涂沉积金属粒子间完全结合的涂 层, 需要发展除基于界面熔合形成冶金结合机制以外的其他结合形成机制。     

等离子喷涂 Mo 包覆 Ni20Cr 自粘结粉末 制备的粘结层结合性能

针对如何提升金属粘结层结合强度的问题, 本研究提出了使用 Mo 包覆 Ni20Cr 复合粉末作为新型粘结层 材料的方法。 高熔点 Mo 包覆层可以减少喷涂过程中核芯元素的蒸发, 在大气等离子喷涂条件下获得超高温熔滴, 有助于涂层与基体以及涂层内部实现冶金结合。 采用机械合金化法制备了 Mo 包覆 Ni20Cr 复合粉末, 并在大气 等离子喷涂条件下制备涂层考察其结合强度。 通过一维传热模型预测了镍基合金熔滴碰撞在镍基合金、 奥氏体不 锈钢和低碳钢基体上实现铺展熔合冶金自结合所需要的温度, 采用 DPV-2000 测试系统对粒子飞行过程中的温度 进行测量, 使用扫描电子显微镜 (SEM) 对涂层的微观结构进行了表征。 粒子温度测量结果表明, 在大气等离子 喷涂条件下, Ni20Cr-Mo 熔滴可加热至 2620 ℃以上, 满足碰撞铺展过程中引起基体表面熔化而产生冶金结合的 温度条件。 涂层结合强度拉伸试验中所有试样都从胶中断裂, 涂层结合强度大于 76.1 MPa。 组织观察结果表明涂 层组织结构致密, 不仅大量粒子层界面间产生了冶金结合, 涂层与基体界面处也观察到一定深度的熔坑, 表明涂 层与基体以及涂层层间界面均实现了冶金结合, 由此显著提高了结合强度。     

高、低喷涂功率下内送粉等离子喷涂YSZ粒子熔化状态研究

等离子喷枪采用内送粉方式后,喷涂功率对YSZ热障涂层微观结构和性能有着独特的作用,高功率下制备的涂层结合强度反而较低。本文研究了内送粉等离子喷枪在高功率(42.5 kW)和低功率(33.6 kW)时距喷嘴出口90 mm处的粒子熔化状态(粒子温度、粒子飞行速度、粒度分布及扁平粒子形貌)。研究结果表明,采用高喷涂功率时,由于等离子射流较高的热焓值使粒子迅速熔化并细化成粒径较小的熔滴,熔滴在撞击基体前发生再凝固降低了扁平粒子间的粘结。涂层出现横向裂纹,结合强度平均值仅为22.58 MPa。采用小喷涂功率时,既能保证粒子熔化良好又不会导致粒子发生明显细化。涂层结合强度平均值为37.25 MPa,随试片弯曲180(°)后仅出现一处剥落,1100℃炉中保温10 min取出后迅速置于水中淬冷130次后,试片中部涂层完好,显示出良好的抗热震性能。     

基体温度对超音速火焰喷涂NiCr-Cr_3C_2涂层性能的影响

采用超音速火焰喷涂(HVOF)技术在316L不锈钢基体上制备Ni Cr-Cr3C2涂层,探讨了不同基体预热温度对涂层结构性能的影响。通过金相显微镜、维氏硬度测试、洛氏压痕分析、热震等方法对Ni Cr-Cr3C2粉体形貌、基体-涂层硬度分布及其界面结合情况、涂层热疲劳性能等进行表征分析,采用XRD方法分析了不同基体温度条件下涂层的表面残余应力。结果表明,随基体温度上升,喷涂粒子扁平化程度加大,沉积率略有提高,界面结合更加致密,涂层残余应力降低,基体温度为200℃时,涂层与基体的结合性能最佳。     

等离子喷涂陶瓷颗粒的扁平化转变机制

我们之前对热喷涂金属粒子的扁平化转变行为进行了系统研究,并提出了形成机制假设:由于超快速冷却而优先在熔滴底部形成的冷却晶体结构决定着圆饼状熔滴的形成。为了验证这一机制是否适用其他材料,选取了几种具有不同热性能的陶瓷材料来进行对比。采用等离子喷涂技术分别将Al_2O_3、Y_2O_3和YSZ喷涂到AISI304不锈钢基体上,对圆饼状熔滴百分比随基体温度变化规律进行了研究,并对熔滴的横截面形貌也进行了观察。结果表明,在Al_2O_3和Y_2O_3熔滴底部均存在独特的非晶和冷晶结构,说明这些材料中圆饼状熔滴形成机制与金属中的相似。另一方面,在YSZ熔滴中却只有柱状晶结构,故圆饼状颗粒的形成机制假设只是适用于部分材料。     

热解炭微观结构对C/C复合材料摩擦磨损性能的影响

研究了热解发光学特性分别为粗糙层结构和光滑层结构试样的摩擦磨损性能。粗糙层结构试样由于具有较高的导热系数,其传热和散热能力比光滑层结构试样的强。在300～800℃时,粗糙层结构试样的膨胀系数基本保持稳定,而光滑层结构试样的膨胀系数随温度升高递增,使刹车过程中前者摩擦因数稳定,后者摩擦性能差。利用场发射高分辨电子显微镜研究了粗糙层结构和光滑层结构试样的微观结构。结果表明;前者生长择优取向明显,生长表面光滑,在摩擦过程中形成片状的石墨结构磨屑,保持稳定的摩擦性能;后者则为低织构疏松层状结构,生长表面粗糙。在磨擦过程中形成颗粒状或大团状结构,导致摩擦性能不稳定。热解炭微观结构的差异是导致2种结构试样热性能、摩擦磨损性能差异的根本原因。     

纳米羟基磷灰石/钛复合粒子冷喷沉积行为

运用冷喷涂技术在不同喷涂温度和不同硬度基体上沉积单个纳米羟基磷灰石/钛(nHA/Ti)复合粒子,研究喷涂温度与基体硬度对复合粒子冷喷沉积行为的影响规律。采用扫描电子显微镜(SEM)观察沉积后复合粒子的表面形貌及结合形态,结合能谱分析(EDS)沉积后复合粒子中HA的Ca/P比。结果表明,基体为Ti6Al4V和316L不锈钢基体时,粒子碰撞后发生了一定的塑性变形呈现中部隆起的扁平状,粒子周边出现了环形薄带。随着加速气体温度升高,复合粒子变形程度有所增加;基体为HA+Ti涂层基体时,碰撞后粒子呈现近球形嵌入至涂层基体中,随着加速气体温度升高,复合粒子嵌入至涂层基体中深度有所增加,粒子在基体表面粘附率增加。通过对沉积后复合粒子中HA的Ca/P比发现,冷喷沉积后复合粒子中的Ca/P比与原始粉末中基本相同。     

等离子喷涂Al_2O_3熔滴铺展形貌分析

研究碰撞速度、粒径、前铺展层、雷诺数、粗糙度以及接触热阻等因素对熔滴铺展形貌的影响规律,建立了Al_2O_3熔滴铺展过程的数学模型。通过FLUENT进行数值模拟,采用专用装置收集粒子,通过SEM分析涂层形貌,结合计算结果分析各因素对铺展形貌的影响。结果显示:随熔滴直径和速度增大,铺展的边缘出现断裂,形成飞溅。前层铺展的凸起阻碍后面的熔滴铺展。随雷诺数增大,熔滴形貌从不飞溅过渡到飞溅。当oh0.2时,熔滴飞溅的临界值为Re470±10;当oh0.2时,熔滴飞溅的临界值为We1.35×10~4±100。接触热阻增大,飞溅现象显著。基体表面粗糙度增大,铺展程度降低。     

宣钢高炉含铁炉料熔滴性能

对宣钢高炉炉料结构进行了熔滴性能试验研究。单矿的熔滴试验结果表明:宣钢常用的2种烧结矿软化性能较好,但滴落性能较差,1 520℃仍未滴落;3种球团矿中自产球总体熔滴指标最好但软化区间最长(313℃);2种块矿中PB矿开始软化温度最低软熔区间最长,试验中未能滴落。蒙古矿软熔性能较好,但滴落温度高达1 518℃。通过对15种配矿方案进行的熔滴试验,结果表明:降低烧结矿配比,提高PB矿比例可改善炉料的熔滴性能。在试验条件下,配矿方案为"烧结矿68%+球团矿16%+PB矿16%"的炉料结构熔滴性能最佳。     

MgO/Al2O3及炉料结构对炉料熔滴性能的影响

通过高温熔滴炉模拟实际高炉冶炼条件,研究了MgO/Al_2O_3及炉料结构对综合炉料熔滴性能的影响。结果表明:MgO/Al_2O_3由0.9增加到1.0后,炉料软化和熔化温度均升高,炉料的最大压差和总特性值分别由3 057 Pa和202.84 kPa·℃降低到1 911 Pa和116.52 kPa·℃,熔滴性能得到改善;烧结矿配比由68%降低到60%后,炉料软化温度降低,熔化温度变化不大,最大压差和总特性值分别由1 911 Pa和116.52 kPa·℃降低到1 440.6 Pa和75.10 kPa·℃,熔滴性能得到改善。结合炉料熔滴过程中的压差变化及滴落物与未滴落物质量,得出结论:当烧结矿MgO/Al_2O_3=1.0,炉料结构为68%烧结矿+16%熔剂性球团矿+16%块矿时,综合炉料的熔滴性能最优。     

长寿命热障涂层技术研究进展

随着高性能航空发动机对长寿命热障涂层需求的增加,提高热障涂层寿命已成为研究重点。本文从粘结层成分及结构设计和陶瓷层制备技术方面介绍了长寿命热障涂层研究进展,最后展望了未来低成本、长寿命热障涂层制备技术的研究方向及研究重点。     

Investigation of three steps of hot corrosion process in Y_2O_3 stabilized ZrO_2 coatings including nano zones

Phase transformation of tetragonal ZrO2 to monoclinic phase and also increment of bond coat oxidation kinetic（TGO thickening） can substantially restrict the life time of thermal barrier coating systems（TBCs）. So, nanostructured and conventional Y2O3 stabilized ZrO2 coatings were evaluated in fused V2O5-Na2SO4 salts during thermal exposure in air. Microstructural characterization showed lower hot corrosion products（monoclinic zirconia, YVO4 crystals） formation and reduction of TGO thickness in thermal barrier coating system consisting of nanostructured Y2O3 stabilized ZrO2（YSZ） top coat. It was found that inhomogeneities, pores and micro-cracks played a principal role in the molten salts infiltration into the YSZ coating during three steps of hot corrosion process. In the nanostructured YSZ coating with tri-model structure, nano zones which surrounded by fully molten parts could fill the aforementioned defects and could act as barrier for the oxygen and corrosive molten salts penetration into the TBC.     

新型热障涂层材料及其制备技术的研究与发展

热障涂层（thermal barrier coatings，TBCs）能有效的提高航空发动机热端部件的工作温度和使用寿命。目前应用最为广泛的热障涂层材料为氧化钇部分稳定氧化锆（yttria-stabilized zirconia，YSZ），该热障涂层材料在服役温度高于1200℃下会发生相变，严重影响航空发动机的使用寿命和服役安全，难以满足新一代航空发动机的服役要求。本文综述了新型热障涂层材料的研究现状，重点介绍了掺杂改性氧化钇部分稳定氧化锆、烧绿石或萤石结构材料、钙钛矿结构化合物、磁铅石矿结构化合物以及新型黏结层材料的研究进展和发展方向，并论述了热障涂层制备技术的方法原理和优缺点，最后对热障涂层材料和制备方法的发展趋势进行了展望。     

溶液前驱体飞行轨迹对涂层微观结构影响规律研究

溶液前驱体等离子喷涂（SPPS）是一种很有前景的制备新型结构热障涂层的新工艺。为了明确溶液前驱体物理化学变化过程对涂层微观结构的影响,本文研究了不同飞行轨迹溶液前驱体制备的涂层微观结构。结果表明：等离子射流低温区的大部分溶液前驱体物理化学变化过程不完全,形成主要由球形颗粒组成多孔疏松结构涂层;高温区的溶液前驱体物理化学...     

等离子喷涂CeO2改性La2Zr2O7纳米热障涂层高温性能研究

研究了不同Ce掺杂量对La2Zr2O7相结构稳定性的影响,确定了Ce原子掺杂量为5.45％的CeO2改性La2Zr2O7涂层（CLZ）.研究了采用大气等离子喷涂制备的涂层与原始粉末化学成分计量比偏离情况.经共沉淀制粉、喷雾干燥团聚造粒、大气等离子喷涂制备了Ce原子掺杂量为5.45％的新型纳米CLZ热障涂层,研究了涂层的长期组织结构稳定性、抗热震性以及失效机制.结果表明,CLZ涂层具有良好的长期组织结构稳定性,涂层在1150℃下热震循环寿命达到26次.涂层失效主要以层状撕裂为主.陶瓷层和粘结层热膨胀不匹配、粘结层发生氧化可能是导致CLZ涂层热震失效的主要原因.     

The influence of a martensitic phase transformation on stress development in thermal barrier coating systems

Thermal barrier coatings (TBCs) provide thermal insulation and oxidation protection of Ni-base superalloys in elevated temperature turbine applications. Thermal barrier coating failure is caused by spallation, which is related to the development of internal stresses during thermal cycling. Recent microstructural observations have highlighted the occurrence of a martensitic bond coat transformation, and this finite-element analysis was conducted to clarify the influence of the martensite on the development of stresses and strains in the multilayered system during thermal cycling. Simulations incorporating the volume change associated with the transformation and experimentally measured coating properties indicate that out-of-plane top coat stresses are greatly influenced by the presence of the martensitic transformation, the temperature at which it occurs relative to the strength of the bond coat and attendant bond coat plasticity. Intermediate values of bond coat strength and transformation temperatures are shown to result in the highest top coat stresses. This article is based on a presentation in the symposium “Terence E. Mitchell Symposium on the Magic of Materials: Structures and Properties” from the TMS Annual Meeting in San Diego, CA in March 2003.     

High Temperature Oxidation and Microstructural Evolution of Modified MCrAlY Coatings

Thermal sprayed MCrAlY coatings are widely used as a bond coat in thermal barrier systems to protect the substrate from corrosion and high temperature oxidation and to improve the compatibility between the ceramic top coat and metallic substrate. In this paper, the high temperature oxidation resistance of MCrAlY coatings with modified compositions was evaluated; in particular, the effect of the addition of reactive and refractory elements (Ta, Re, Si, and Hf) was investigated. MCrAlY coatings were obtained by high velocity oxygen fuel spray and vacuum plasma spray techniques; samples were exposed to air at 1423 K (1150 °C) and the oxidation kinetics were evaluated by measuring the thickness of the thermally grown oxide (TGO) scale at several exposure times. Experimental data confirmed that the oxidation resistance of MCrAlY coatings is strictly related to the amount of the reactive and refractory elements in the starting powders and that a thorough understanding of the microstructural modifications taking place during oxidation is essential for controlling TGO growth and thermal barriers’ durability.     

Thermal Shock Damage and Microstructure Evolution of Thermal Barrier Coatings on Mar-M247 Superalloy in a Combustion Gas Environment

The effect of preoxidation on the thermal shock of air plasma sprayed thermal barrier coatings (TBCs) was completely investigated in a combustion gas environment by burning jet fuel with high speed air. Results show that with increasing cycles, the as-oxidized TBCs lost more weight and enlarged larger spallation area than the as-sprayed ones. Thermally grown oxide (TGO) growth and thermal mismatch stress were proven to play critical roles on the as-oxidized TBC failure. Two types of significant cracks were identified: the type I crack was vertical to the TGO interface and the type II crack was parallel to the TGO interface. The former accelerated the TGO growth to develop the latter as long as the oxidizing gas continuously diffused inward and then oxidized the more bond coat (BC). The preoxidation treatment directly increased the TGO thickness, formed the parallel cracks earlier in the TGO during the thermal shocks, and eventually resulted in the worse thermal shock resistance.     

厚热障涂层的失效分析研究

厚热障涂层因具有优异的隔热效果, 在航空发动机热端部件防护上获得应用。 在高温燃气冲蚀环境中服役 后, 致密厚热障涂层呈局部块状剥落而失效。 本文对涂层失效后的截面形貌、 元素分布、 相结构等进行分析。 结 果表明, 涂层失效的主要原因是表面附着物的渗入和焰流冲蚀下致密厚热障涂层内部应力的增加。 采用高能等离 子喷涂制备具有弥散分布裂纹的厚热障涂层有望提高涂层寿命。     

PS-PVD 热障涂层显微结构对耐侵蚀性能的影响研究

采用等离子喷涂物理气相沉积 ( PS-PVD ) 技术开展了热障涂层梯度结构调控研究，通过调整喷涂送粉速率， 在底部、中间和顶部沉积阶段制备了五种不同的热障涂层，对热障涂层的显微组织、粗糙度、孔隙率、耐熔盐腐 蚀和耐粒子冲蚀性能进行表征，阐明了显微结构变化对热障涂层耐侵蚀性能的影响。研究表明：送粉速率的变化 对PS-PVD热障涂层羽柱状结构的沉积有显著的影响，低送粉速率下，涂层底部结构比较致密，当送粉速率增大时， 由于粉末颗粒在喷涂过程气化不充分，未熔粒子增加，羽柱状顶部结构趋向致密结构转变，涂层顶部孔隙率下降， 表面粗糙度降低。送粉速率由底至顶梯度递增制备的涂层表现出较高的耐熔盐腐蚀性能和耐粒子冲蚀性能。