热障涂层导热率的测量及控制技术

摘要：作为一种有效的改善发动机的性能、减少发动机零部件的成本，延长其使用寿命的技术，热障涂层(TBC)已得到了越来越广泛的应用。在所有涉及热障涂层性能的物理参数中，导热率被认为是最重要的指标之一。本文介绍了热障涂层技术的发展现状，总结了热障涂层导热率测量的3种主要方法(激光发射法、3-ω法和光声法)的优缺点及适用范围，讨论了减少热障涂层导热率的主要技术。从试验数据来看，加入特殊的添加剂、改善涂层的微观组织构、采用多层复合结构是降低若障涂层导热率的有效方法。     

制备参数对等离子喷涂热障涂层高温冲蚀性能的影响

燃机热端部件热障涂层实际服役过程中不可避免发生高温冲蚀,引起涂层失效。采用等离子喷涂工艺制备不同喷涂距离、不同喷涂功率的热障涂层,并对其进行1 000℃/60°高温冲蚀试验,研究制备参数对热障涂层耐高温冲蚀性能的影响规律。结果表明:42 kW功率制备涂层,随喷涂距离的增加(110,120,130 mm),涂层耐高温冲蚀性能降低,冲蚀率显著增大(31.40,45.11,76.79 mg/g);110 mm喷涂距离下制备涂层,随喷涂功率的增加(39,42 kW),涂层耐高温冲蚀性能提高,冲蚀率减小(58.86,31.40 mg/g);涂层力学性能是影响其高温冲蚀性能的重要因素。     

CrAlN抗冲蚀涂层制备及性能研究

为提高钛合金材料抗冲蚀性能,利用真空阴极电弧沉积技术在TC11钛合金上沉积CrAlN涂层,研究靶电流、偏压和气压对涂层结构及性能的影响。采用扫描电镜观察膜层表面和截面形貌,金相显微镜对表面的大颗粒进行定量分析;显微硬度计测量膜层的维氏显微硬度;采用喷砂试验机对涂层的抗冲蚀性能进行测试,通过三维表面轮廓仪测量涂层厚度和侵蚀坑的深度;X射线衍射仪表征涂层中的晶体结构。结果表明:靶电流从70A增大到110A,虽可提高涂层的沉积速率,但会导致涂层表面大颗粒增加,从而降低涂层的抗冲蚀性能;气压从1Pa增大至4Pa,可有效地减少涂层表面颗粒的尺寸及数量,但也会一定程度降低沉积速率及硬度;偏压对CrAlN涂层的结构及性能影响最大,偏压在-50V时涂层呈(200)择优取向,-100V涂层呈(111)择优取向,-200V时,涂层择优取向不明显;且随着偏压的增加,涂层的硬度及抗冲蚀性能增大,在高冲蚀角下,冲蚀的失效机理为脆性失效。结论:工艺参数中靶电流对表面质量的影响最大;涂层的生长取向与偏压密切相关;CrAlN涂层的表面质量及硬度直接影响其抗砂粒冲蚀性能,偏压对涂层抗冲蚀性能影响最大。最终优化的工艺参数为:靶电流90A、偏压-100V、气压4Pa。     

H_2对等离子喷涂-物理气相沉积热障涂层的结构和抗冲刷性能的影响

改变用等离子喷涂-物理气相沉积(PS-PVD)工艺制备热障涂层时等离子工作气体中H2组分的流量,制备出不同的ZrO_2-7%Y_2O_3(7YSZ)热障涂层并研究了H_2对PS-PVD热障涂层的影响。结果表明:等离子工作气体中的H_2对PS-PVD热障涂层的表面形貌、微观结构、孔隙率、硬度和抗冲蚀性能等性质有显著的影响。H_2流量分别为0、5、10 SLPM时制备的PS-PVD热障涂层,其孔隙率分别为16.7%、20.4%、7.7%;显微硬度分别为224.2 HV0.025、236.6 HV0.025、394.4 HV0.025;固体颗粒冲蚀25 s后的失重量分别为78.5 mg、65.0 mg、17.3 mg。随着H_2组分流量的增大热障涂层的孔隙率先增加后减小,柱状结构逐渐变化,硬度和抗冲蚀性能提高。     

真空电弧镀沉积HY7涂层及性能

本文采用真空电弧镀技术(AIP)在K465镍基高温合金基体上沉积了AlYSi(HY7)沉积-扩散型涂层,分析了涂层的组织结构及显微硬度,研究了涂层在1100℃的高温氧化行为和900℃下的燃气热腐蚀行为。通过扫描电镜(SEM)分析氧化前后试样的显微形貌,用X-射线衍射仪(XRD)分析涂层的相结构。试验结果表明,涂层主要由β-NiAl相组成,截面显微硬度自外向内呈中-高-低分布,涂层显著提高了叶片材料的抗高温氧化、抗腐蚀性能。     

超音速火焰喷涂Cr3C2-NiCr层激光重熔后的冲蚀性能

利用激光重熔技术对超音速火焰喷涂(HVOF)涂层进行改性处理,可改善涂层质量.采用HVOF技术在低碳钢表面喷涂Cr3C2-NiCr层,然后对其进行激光重熔处理,考察了熔覆后涂层的冲蚀性能.结果表明:HVOF层激光重熔后以不同角度冲蚀,30°冲蚀时冲蚀率最大,表现为塑性材料的冲蚀性能;激光重熔HVOF层在冲蚀初期冲蚀率较大,随着冲蚀次数的增加,冲蚀率降低,冲蚀性能最终优于低碳钢和HVOF层;HVOF层激光重熔后致密性提高.     

EB-PVD热障涂层对高温合金基体断裂特征影响的研究

采用EB－PVD方法在K3合金上（包括铸态和经标准热处理两种状态）沉积了由NiCoCrAlY金属粘结层和YSZ涂层顶层组成的双层结构的热障涂层,对未涂层和涂层试样的拉伸性能进行了评估,并分析了涂层的制备和中间处理过程中的基体的微观结构的变化。结果表明,在热障涂层的沉积以及中间处理过程中（真空前处理及后处理）,基体的铸态组织得到改善,产生了析出强化,使得在铸态K3合金基体上沉积热障兴层后基体的拉伸强度由800MPa提高到1050MPa,而在经过标准热处理的合金基体上沉积热障涂层对基体的力学性能几乎没有影响。     

电弧离子镀TiC扩散障结构及抗高温氧化性能研究

采用电弧离子镀技术(AIP)在NiCrAlY涂层与镍基高温合金(DD3合金)之间沉积TiC薄膜作为扩散障层,研究了TiC对NiCrAlY涂层与基体的元素互扩散的阻碍作用和对涂层氧化动力曲线的影响。对于添加扩散障层前后的试样,进行循环抗氧化试验来评价其抗高温氧化性能,并用扫描电镜(SEM)分析氧化前后试样微观形貌和成分,用X-射线衍射仪分析涂层的相结构。试验结果表明:TiC有效阻滞DD3基体与涂层之间的元素互扩散,提高了NiCrAlY涂层和DD3合金的抗高温氧化性能。     

等离子喷涂铝硅聚苯酯封严涂层的组织及抗冲蚀性能

抗冲蚀磨损性能是封严涂层最重要的性能指标之一.采用铝硅聚苯酯(Alsi-ployester)粉末和PARXAIR-3710等离子喷涂系统制备了可磨耗封严涂层.采用磨粒冲蚀试验研究了不同冲蚀角度、冲蚀时间、冲蚀颗粒尺寸和冲蚀速度对涂层抗冲蚀性能的影响,并用SEM观察冲蚀表面形貌.结果表明:在相同冲蚀条件下,Alsi-ployester涂层冲蚀率随冲蚀颗粒速度的增加而增加;涂层的冲蚀率受冲蚀角的影响,90°时的冲蚀率大于30°的;30°时涂层损失主要以刮削为主,90°时以凿削为主;涂层失重与冲蚀时间存在良好的线性关系;涂层冲蚀率随着冲蚀颗粒尺寸增加成波动变化,当颗粒尺寸为250μm时,冲蚀率达到最大.在实际工程应用中,Alsi-ployester涂层展示了良好的抗冲蚀性能.     

等离子喷涂纳米结构与传统结构热障涂层的残余应力对比研究

热障涂层的残余应力是影响其服役寿研究不多.在45钢基体上,用超音速火焰喷涂NiCocrAlY打底层,再用大气等离子喷涂ZrO2-8%(质量分数)Y2O3(8YSZ)工作层,制备了纳米结构与传统结构2种类型的热障涂层(TBC).采用SEM、XRD对这2种涂层的粉末及涂层进行了组织结构分析,用纳米压痕仪测得了2种涂层的弹性模量.用X射线衍射应力测试仪测得了2种涂层的表层残余应力.结果表明:喷涂工艺参数相同条件下,对于打底层及工作层的厚度均相同的2种涂层,纳米结构热障涂层的表层残余应力比传统结构热障涂层约低24.7%;相同打底层的纳米结构热障涂层表层残余应力随着陶瓷层厚度增加而增加,陶瓷层厚度在240 um以下时,表层为残余压应力;厚度超过300 um时,表层为残余拉应力.最后提出了相应的物理力学模型.     

粘结相含量对超音速火焰喷涂Cr_3C_2-NiCr涂层冲蚀磨损的影响

采用不同粘结相含量的粉末,运用超音速火焰喷涂方法制备了Cr3C2-NiCr涂层。运用干砂冲蚀磨损试验机检测不同冲蚀角度下涂层的冲蚀磨损性能,研究粉末粘结剂含量对沉积涂层冲蚀磨损性能的影响。运用扫描电镜技术观察并分析Cr3C2-NiCr涂层冲蚀磨损失效行为。结果表明:粘结相含量不同的HVOF喷涂涂层均表现出脆性材料的冲蚀磨损特性,随冲蚀次数的增加失重量呈近似线性增加;粘结相在涂层中的分布形式影响涂层的抗冲蚀性能,但不改变冲蚀失效的主要机制。     

单晶合金(NiCoCrAlYHf+AlYSi)复合涂层抗氧化性能研究

本文采用真空电弧镀技术(AIP)在DD9单晶高温合金基体上沉积60μm~80μm复合涂层(NiCoCrAlYHf+AlYSi),分析了复合涂层的组织及结构。对于沉积复合涂层的试样进行了1150℃循环抗氧化实验,来评价其抗氧化性能,通过扫描电镜(SEM)分析氧化前后的试样显微形貌,用X-射线衍射仪分析涂层的相结构,通过氧化速率对涂层抗氧化性能进行表征。试验结果表明:复合涂层明显改善了合金的抗高温氧化性能;1150℃循环氧化条件下,复合涂层寿命大于4200h。     

APS制备7YSZ热障涂层镀铝改性的抗氧化性

热障涂层(TBC)的使用对燃气轮机的寿命和效率都有明显提升,而TBC一般是由金属粘结层和ZrO_2-7%(质量分数) Y_2O_3(7YSZ)陶瓷层组成。与飞行器推进系统的TBC相比,燃气轮机的服役环境有其特殊性。在工业燃气轮机服役过程中,TBC系统中金属粘结层的氧化是导致涂层过早失效最重要的原因之一。TGO(热生长氧化层)的形成不可避免,但抑制TGO的生长速率可以提高TBC的使用寿命,而7YSZ是一种对氧离子扩散几乎无阻碍作用的材料。因此,在7YSZ涂层上覆盖一层氧离子扩散障碍膜是阻止TGO生成的一种可行方法。本研究中,在7YSZ涂层表面沉积一层铝膜。经热处理后,在7YSZ涂层表面通过Al和ZrO_2原位反应生成α-Al_2O_3层,该层可以作为氧离子扩散障碍层。此外,对热处理压力和铝改性的7YSZ涂层抗氧化性关系进行了研究。     

热障涂层的发展现状

热障涂层(TBC)是目前最为先进的高温防护涂层之一,其具有良好的隔热效果与抗高温氧化性能.综述了TBC的制备工艺、结构特征与涂层材料的选择,归纳了涂层的主要失效形式,并对失效机理加以分析.     

粗糙度对热障涂层冲蚀失效的影响及模型建立

采用气体喷砂试验机研究了大气等离子喷涂(APS) ZrO₂-7%Y₂O₃(7YSZ)热障涂层的冲蚀失效机理, 分析了陶瓷层表面粗糙度对热障涂层冲蚀磨损率及失效行为的影响, 研究了基于多孔层状的热障涂层在常温高速粒子90°攻角下的冲蚀失效特征, 探讨了多孔层状结构对涂层冲蚀失效演变机制的作用, 此外, 建立了基于粗糙度的冲蚀失效数学模型。研究结果表明: 冲蚀磨损率与陶瓷层表面粗糙度呈线性递增关系; 涂层在高速粒子冲蚀下多孔层状结构加剧了涂层的冲蚀失效; 涂层表面在粒子冲蚀下承受着非均匀、非连续的压-压脉动循环载荷, 在微凸粗糙表面承载着正应力和切应力的相互作用; 正应力迫使涂层出现凹坑, 切应力易导致涂层出现沟槽, 并同时以原喷涂态表面网状裂纹为策源地诱发裂纹在粒子晶界和层间界面萌生扩展导致涂层产生粒子和片状剥落, 最终涂层显示出典型的磨粒磨损和低周疲劳失效形式。     

沉积入射角度对热障涂层形貌和性能的影响

采用真空电弧镀（ARC）技术在DZ125合金基体上制备NiCrAlYSi(HY3)金属粘结层,然后采用电子束物理气相沉积（EB-PVD）技术,分别以0°、20°、40°、60°和80°五种入射角度沉积氧化钇稳定氧化锆（6～8YSZ）陶瓷涂层,研究了入射角度对涂层形貌和性能的影响。结果表明：五种入射角度的热障涂层均能形成柱状晶结构,随着入射角度增加,孔隙率和柱状晶倾斜角度均逐渐增加,涂层厚度逐渐减小;对带涂层试样进行结合强度测试,入射角度0°～40°时涂层的结合强度均在55MPa以上,入射角度增加到80°时,结合强度降低到15.7MPa;热冲击条件下,陶瓷面层和基体之间形成TGO,由于不同入射角度下涂层孔隙率不同,TGO生长速度不一致,导致其热冲击寿命存在明显差异,入射角度为0°～40°时涂层的热冲击寿命均超过4000次,入射角度为60°时涂层的热冲击寿命为3371次,入射角度为80°时涂层的热冲击寿命最短,仅为1836次。     

热障涂层服役温度测试与隔热机理

热障涂层(TBC)被用于航空发动机涡轮叶片表面的热防护,主要由粘结层和陶瓷层组成,准确测量陶瓷层表面与粘结层/陶瓷层界面温度分布对指导涂层高隔热结构设计与制备具有重要意义。现有非接触式与接触式测温技术可测量表面温度,接触式测温技术可测量界面温度。主要介绍了3种用于测量航空发动机涡轮叶片表面温度的技术,其中,适用于TBC表面测温的包括以光学原理为主的红外辐射、荧光、晶体、光纤测温技术;以热致变原理为主的示温漆测温技术;适用于TBC界面测温的以热电原理为主的填埋式热电偶、薄膜热电偶测温技术,并介绍了其测温的原理、优势和局限性。进一步对TBC隔热机理及性能优化进行了介绍,并对TBC表/界面测温技术及涂层结构设计方向进行了展望。     

硅酸盐封孔剂对热喷涂304不锈钢涂层高温冲蚀磨损性能的影响

采用热喷涂工艺制备的涂层常存在不少孔隙。为了弥补孔隙带来的抗腐蚀、冲蚀性能下降等问题,采用高速电弧在Q235钢基体上热喷涂304不锈钢涂层,采用封孔剂来处理热喷涂工艺带来的涂层孔隙,用碱金属硅酸盐基料、云母粉和SiO₂纳米颗粒为填料制备封孔剂,并用刷涂法对涂层进行封孔处理,研究了封孔层和喷涂层的抗高温冲蚀磨损性能。采用扫描电镜（SEM）和能谱仪（EDS）分别对喷涂层、封孔层的微观形貌和成分进行分析,研究喷涂层、封孔层在25,650℃温度下的冲蚀磨损性能和机理,并利用试验冲蚀磨损量估算了封孔层、喷涂层的冲蚀磨损寿命。结果显示：封孔层未见内部裂纹,与喷涂层结合紧密,但内部存在较多孔洞。封孔层在低攻角下的冲蚀磨损性能要好于未封孔的喷涂层。随着冲蚀温度由25℃升高至650℃,封孔层的冲蚀磨损量提高约20%,降低了封孔层的冲蚀磨损性能。封孔层、喷涂层的冲蚀磨损机理为低攻角下的犁沟、切削共同作用,以及高攻角下的挤压破坏。在冲蚀低攻角下,封孔层相比喷涂层具有更好的抗冲蚀磨损性能,在一定程度上封孔层能有效增强喷涂层的抗冲蚀磨损性能。     

钢表面TiC/Ni3Al复合涂层及其冲蚀性能

采用钨极氩弧焊熔覆技术在钢表面原位合成金属间化合物基复合涂层TiC/Ni3Al。研究了复合涂层的组织和抗冲蚀性能,探讨了涂层的形成及抗冲蚀机理。结果表明:采用钨极氩弧焊熔覆技术在钢表面制得的TiC/Ni3Al复合材料无杂质相,颗粒分布均匀;随着预置层中(Ti+C)含量的提高TiC颗粒的数量增加,材料的硬度提高;涂层与基体之间呈现良好的冶金结合,从熔合线到涂层外表面TiC颗粒的形态逐渐从细小球形转变为等轴状、树枝状;Al、Ni、Fe元素呈梯度变化,而Ti元素主要以TiC颗粒物的形式存在于涂层中。在不同冲蚀角度下复合涂层的冲蚀量均显著小于H13钢和0Cr17Ni7Al钢,表现出优异的抗冲蚀性能。     

热循环条件下NiCrAlYSi/YSZ热障涂层层间损伤及元素扩散行为研究

采用真空电弧镀设备制备热障涂层(TBCs)中的NiCrAlYSi金属粘结层,采用电子束物理气相沉积工艺(EB-PVD)制备YSZ陶瓷层,利用带能谱仪的扫描电子显微镜对沉积态和热循环损伤后的热障涂层试样的形貌、组织结构以及元素成分进行分析,研究热障涂层从热循环初期到失效的过程中层间损伤及元素扩散行为。结果表明,随着热循环时间的延长,NiCrAlYSi/YSZ涂层先后经历快速氧化和氧化速率很低的阶段,1100h后由于陶瓷层脱落,粘结层继续氧化导致涂层增重突然增大。热循环初期,Zr、O向内扩散,Ni、Cr、Al向外扩散,TGO层中的Al元素供应充足,主要发生Al的选择性氧化;1100h后,TGO层中Al元素供应不足,Cr、Ni开始氧化,生成Al_(1.92)Cr_(0.08)O_3和镍铝氧化物。这种不均匀的氧化使局部涂层体积膨胀,裂纹萌生于TGO层,随着裂纹的增殖、生长,最终贯穿等轴晶区和TGO层,导致热障涂层失效。