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。     

CFRP复合材料孔隙形貌特征的统计分析

采用光学显微镜观察和统计分析的方法研究了孔隙率(P)在0.03%～4.96%范围内的16组碳纤维增强树脂(carbon fiber reinforced polymer,CFRP)复合材料中孔隙的平均长度、平均宽度及平均宽长比等参数的变化规律。结果表明:CFRP复合材料的孔隙形貌在整体上呈现统计特性,当孔隙率0.03%≤P0.5%时,孔隙截面接近圆形,孔隙平均长度和平均宽度分别为10～50μm和10～30μm,平均宽长比为0.5～0.8;当孔隙率0.5%≤P3.0%时,孔隙截面逐渐趋向于椭圆形,孔隙平均长度和平均宽度分别为50～70μm和20～30μm,平均宽长比为0.5～0.6;当孔隙率3.0%≤P≤4.96%时,大多数孔隙截面呈现长条形,孔隙平均长度和平均宽度分别为50～100μm和30～40μm,平均宽长比0.35～0.5;同时,CFRP复合材料的孔隙形貌也具有随机特性,不同孔隙率试样之间和同一试样不同部位之间,其孔隙形状、尺寸及分布都可能存在明显差异。     

C/SiC复合材料空气耦合超声检测数值模拟

针对高孔隙率C/SiC复合材料空气耦合超声检测,引入考虑孔隙形貌的随机孔隙模型开展数值模拟研究。结合力学和声学性能测试计算材料弹性刚度矩阵,借助组织分析建立考虑孔隙微观形貌、孔隙率分别为5%、10%、15%的随机孔隙有限元模型,研究了空气耦合超声透射法检测过程中超声波传播特征及典型缺陷的响应规律。结果表明:材料纵波声速约2830 m/s,横观各向同性五个独立弹性常数分别为158.149、88.589、34.141、15.288和13.793 GPa。孔隙呈长条状,随孔隙率增加,超声衰减逐渐增大;孔隙尺寸与波长的比值约在0.05~0.22范围,主要为瑞利散射机制。高孔隙率、复杂孔隙形貌显著影响超声波的传播过程,导致个别条件下声场指向性发生偏转,影响缺陷检测。当分层缺陷长度由0增加到25 mm时,接收信号幅值衰减增大,与无分层模型相比最大衰减增加33.9 dB。随着复合材料层板厚度的增加,超声衰减进一步增强,声场也将产生一定偏转,主要体现孔隙和分层的共同作用。计算结果与实验吻合较好,为高孔隙率C/SiC复合材料的高质量无损检测提供支撑。      

碳纤维复合材料孔隙率超声声阻抗法检测

基于复合材料孔隙率与材料密度、超声波纵波声速之间的内在联系,采用超声水浸底波反射回波法,利用5 MHz平探头测量碳纤维单向增强复合材料超声声阻抗。借助金相显微镜测试复合材料孔隙率,并利用实验进行参数标定后,建立了超声声阻抗与碳纤维增强环氧树脂复合材料孔隙率P的经验公式。对0.03 %≤P≤2.21%同批复合材料试样进行实验验证,发现声阻抗法测量结果与金相法测量结果相符。利用该方法测量孔隙率,无须测量材料声速和密度,且测量结果受孔隙形貌影响较小,易于实现,在复合材料孔隙率无损检测方面具有可行性。     

45钢表面大气等离子喷涂氧化钇部分稳定氧化锆热障涂层及其性能

为了制备高性能热障涂层,缩短国内外差距,在45钢表面大气等离子喷涂氧化钇部分稳定的氧化锆(YSZ)热障涂层。利用X射线衍射和扫描电镜分析YSZ涂层的相结构和微观形貌,分别测定了YSZ涂层的孔隙率、热导率、显微硬度、结合强度及隔热性能。结果表明:YSZ涂层的孔隙率、隔热温差随喷涂电压增大而减小,随喷涂距离的增加而增大;维氏硬度、结合强度和热导率随喷涂电压增大而增大,随喷涂距离增加而减小;当喷涂电压为80 V,喷涂距离为100 mm时,YSZ热障涂层的结合强度为36.78 MPa,热导率为0.705 W/(m·K),具有较好的隔热性能。     

等离子喷涂ZrO2涂层孔隙定量分析

利用等离子喷涂技术制备了两种不同结构的梯度热障涂层.利用定量金相技术对两种涂层富陶瓷区域不同位置的孔隙率、孔隙大小和形态进行了定量分析.结果表明:两涂层富陶瓷区域孔隙率相近,其中界面处孔隙率较高,但在6%以下;孔隙大小服从相似的概率分布,其中直径在1～10um范围内的孔隙含量最多,在72%～80%之间,其次是1um以下的孔隙,在20%～25%之间,而10um以上的孔隙含量在0.2%～4%之间;孔隙形状同样服从相近的概率分布,而且等轴孔隙比重最大,在82%～87%之间,其次为不等轴孔隙,在13%～17%之间,缝隙状孔隙最少,在0.1%～0.4%之间.说明涂层结构对富陶瓷区域的孔隙没有影响.     

基于超声声速法的陶瓷涂层特性表征

采用强流脉冲离子束（HIPIB）辐照方式获得了特性（孔隙率、微裂纹及致密度）不同的Cr2O3陶瓷涂层。利用超声反射系数谱相邻极小值频率间隔△f与涂层厚度d之间的关系△f=c2／2d求得了涂层声速c2。对应于原始及辐照1次和5次涂层试样,超声声速分别为2002,2099和2197m／s,声速提高表明涂层弹性性能增强。SEM结果表明,涂层经辐照后孔隙及裂纹减少,涂层变得致密,同时其表面显微硬度提高。超声试验结果与理论分析一致,利用声速能够对HIP—IB改性的Cr2O3涂层特性进行超声表征。     

CFRP中孔隙几何形貌与超声衰减系数关系的研究

通过金相和超声衰减系数表征CFRP层压板中的孔隙,研究孔隙形貌对超声衰减的影响。结果表明:超声衰减系数随孔隙几何形貌参数(平均长、宽、面积)的增大而增大;平均孔隙长度随孔隙率的增加程度大于平均孔隙宽度随孔隙率的增加程度;超声衰减系数随主要尺寸区域内的孔隙所占比例的增加,总体趋势减小;同一孔隙率下,大尺寸孔隙所占的比例越多,其超声衰减系数越大。总之,本试验中孔隙形貌对超声衰减有一定的影响且不能忽略。     

孔隙对碳纤维/环氧复合材料层合板层间剪切疲劳性能的影响

研究了孔隙对碳纤维增强环氧树脂基复合材料层合板［(±45)/0₄/(0, 90)/0₂］_S的静态层间剪切强度和层间剪切疲劳性能的影响。采用不同的热压罐压力制备了孔隙率为0.4%~6.6%的试样。采用显微照相法和图像分析技术对孔隙率和孔隙的微观形貌进行了分析。研究结果表明, 随着热压罐压力的降低, 大孔隙(S>7.85×10-3mm2)所占的比例逐渐增加, 平均孔隙率增加。在孔隙率为0.4%~6.6%时, 每增加1%, 复合材料层压板的层间剪切强度下降2.4%。随着孔隙率的增加, 层压板的疲劳寿命降低。与静态试验相比, 孔隙率对层压板疲劳性能的影响比对静态性能的影响大。大孔隙的存在促进了疲劳裂纹的产生和扩展。      

YSZ喷涂粉末制备工艺及其对涂层性能影响

针对不同类型的Y2O3部分稳定ZrO2(YSZ)喷涂粉末,分析喷涂粉末对等离子喷涂氧化锆热障涂层结构和性能的影响。结果表明:熔融破碎型粉末涂层的孔隙率较小,热导率较大;空心球形粉末涂层孔隙率适中,层间孔隙率较大;扁平粒子界面数量较多,涂层的热导率最小,团聚烧结型粉末涂层虽然具有最大的孔隙率,但是层间孔隙率和扁平粒子界面数量小于空心球形粉末涂层的,其热导率介于两者之间;高纯和低密度YSZ喷涂粉末可提升热障涂层的抗烧结能力,从减小热障涂层热导率及延长高温使用寿命的角度考虑,应发展高纯、低密度的空心球形粉末技术。     

YSZ多孔陶瓷的孔隙结构特征及压缩强度研究

以3%(摩尔分数)Y₂O₃稳定的ZrO₂为原料、异丁烯与马来酸酐共聚物(Isobam-104)为分散剂和凝胶剂、十二烷基三甲基氯化铵(DTAC)为发泡剂,采用球磨发泡法制备出氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)多孔陶瓷。研究浆料固含量对YSZ多孔陶瓷制品孔隙结构和压缩强度的影响规律,以及压缩失效机制变化特点。结果表明：在相近发泡率的条件下,固含量在30.5%～33.5%(体积分数)范围内小幅度增加时,所制备的YSZ多孔陶瓷的总孔隙率和平均孔胞尺寸逐渐减小,压缩强度增加;所制备的样品的总孔隙率为79.9%～88.4%,压缩强度为4.7～17.2 MPa,材料的压缩强度与总孔隙率之间的关系同Rice模型相符合;在压缩载荷作用下YSZ多孔陶瓷呈现伪塑性变形,失效破坏的主要形式为剪切破坏。     

表面粗糙度对PS-PVD YSZ陶瓷层性能的影响EI北大核心CSCD

采用PS-PVD工艺在预制有NiCoCrAlYTa黏结层的K417G高温合金上制备YSZ陶瓷层;采用万能拉伸试验机、粒子冲刷仪、静态氧化炉等设备测试PS-PVD YSZ陶瓷涂层的结合强度、抗粒子冲刷和抗高温氧化性能;采用SEM和EDS分析涂层表面、截面形貌和元素分布等。结果表明:表面粗糙度对YSZ陶瓷层拉伸结合强度、抗粒子冲刷和抗高温氧化性能的影响很大。随着粗糙度的增大,结合强度先增大而后减小。Ra=0.40μm表面上沉积的YSZ涂层,其结合强度最高,达到23.5 MPa。拉伸断裂发生在涂层内部,并距离黏结层40~70μm的位置。随着表面粗糙度的增大,冲刷速率先减小而后增大,Ra=0.40μm涂层的抗粒子冲刷性能最好,冲刷速率仅为2.8×10^-3 g/g,表面起伏小和孔隙率低是涂层具有良好抗粒子冲刷性能的重要原因。不同表面粗糙度制备的YSZ涂层均能生成致密连续的热生长氧化物(TGO)层。粗糙度大则生长的TGO起伏大,更容易导致局部增厚和应力集中而失效。     

大气等离子喷涂环境障涂层的预热处理致密化方法

环境障涂层(EBC)面层的高致密度对于保障EBC的抗水氧腐蚀性能、提高SiCf/SiC热端部件的服役寿命具有重要意义.本研究提出涂层致密化的预热处理方法,以大气等离子喷涂(APS)Yb2 SiO5涂层作为代表性材料,在涂层高温服役前进行1250～1450℃的预先热处理,显著提高了涂层致密度.通过不同结构孔隙的分类研究,阐明了EBC面层结构及性能在热处理过程中的变化规律,揭示了预热处理促使涂层内孔隙愈合的致密化机理.结果表明:喷涂态的Yb2 SiO5涂层内部存在3种缺陷,包括二维(2 D)形貌的片层内微裂纹、片层间微孔隙(统称2 D孔隙)以及三维(3 D)形貌的球形孔隙,因此致密度较低.在热处理过程中,2D孔隙逐渐愈合,在较短时间内大量减少,但3D球形孔隙未出现明显变化.预热处理过程中孔隙愈合的机理是:涂层内部晶粒不断长大,使得孔隙表面粗糙化,引发孔隙表面多点桥接,将原本连续的2D孔隙分割成若干段,并进一步球化.本研究提出的预热处理方法,为等离子喷涂高致密、抗腐蚀EBC的工程化应用奠定了理论基础.     

钼酸钠含量对无铬锌铝涂层性能的影响

研究了钼酸钠(缓蚀剂)含量变化对无铬锌铝涂层形貌、成分、孔隙率、附着力及耐蚀性能的影响。采用SEM、EDS对涂层的形貌、孔隙率和成分进行分析,采用附着力测试仪对涂层附着力进行评价,通过极化曲线、交流阻抗谱测试对涂层耐蚀性进行分析。在钼酸钠质量分数为1. 3%～2. 6%时,所得涂层宏观上均光滑、平整且呈现出银灰色金属光泽;微观上均完整、致密、孔隙率低,鳞片状锌铝粉层层堆叠,形成了良好的物理屏蔽作用。在钼酸钠质量分数为1. 3%～2. 2%时,涂层的附着力等级为ISO-1级,但更高的钼酸钠含量使涂层的附着力水平下降。随着钼酸钠含量的增加,涂层的自腐蚀电位先减小后增大,在钼酸钠含量达2. 6%后,涂层的自腐蚀电位因高于Q235钢基体而无法为其提供阴极保护。涂层的自腐蚀电流在9. 141×10-6～1. 176×10-4A/cm~2范围变化,Rf值(锌铝粉表面膜层电阻)在212. 1～649. 5Ω·cm~2范围变化。在钼酸钠质量分数为1. 8%时,涂层的综合性能最佳,涂层的自腐蚀电流密度最小,仅9. 141×10-6A/cm~2,Rf值最大达649. 5Ω·cm~2,锌铝粉表面腐蚀产物膜层最为致密,且结合力高,耐蚀性能最好。     

杂质对氧化锆热障涂层性能的影响

降低热障涂层面层中的低熔点杂质含量, 可提高涂层的高温稳定性和延长服役寿命。SiO₂、Al₂O₃和Fe₂O₃是氧化钇稳定氧化锆(Yttria-Stabilized Zirconia, YSZ)热障涂层中几种常见的低熔点氧化物杂质, 均会对涂层的性能产生一定的影响。本研究采用大气等离子喷涂法, 制备SiO₂、Al₂O₃和Fe₂O₃的含量从小于0.01wt%增加至1.00wt%的YSZ热障涂层。采用扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)研究了上述涂层的微观结构; 采用激光热导仪测试了涂层的热扩散系数和抗热震次数。研究结果表明, 低熔点氧化物杂质对YSZ涂层的导热性、热处理状态的孔隙率具有明显影响, 且更容易引起涂层的热震失效。当杂质氧化物含量在小于0.2wt%范围内变化时, 涂层的性能变化更为显著。     

不同厚度碳纤维布/环氧树脂复合材料孔隙率超声衰减模型

复合材料中孔隙的存在造成了材料性能的下降,因此,对材料孔隙的检测至关重要。本文利用异丙醇(IPA)添加量的不同,制备了不同层数、不同孔隙率含量的碳纤维(CF)布/环氧树脂层合板试件。采用脉冲反射法测试计算了CF布/环氧树脂层合板试件的超声衰减系数,通过金相显微分析对孔隙的分布、形状及尺寸进行了表征,运用MATLAB对金相显微图进行分析得到试件的孔隙率。讨论了孔隙率对材料的声速、声阻抗及超声衰减系数的影响规律,利用4组不同层数样本试件的孔隙率和超声衰减量的试验数据,给出了基于模型的孔隙率与材料层数、超声衰减量的拟合公式。结果表明,随着IPA添加量的增加, CF布/环氧树脂层合板(2 mm)孔隙率从1.09%增加到4.16%,材料的声速和声阻抗均下降,超声衰减系数从2.51 dB/mm增大到5.34 dB/mm。孔隙率为1%时,厚度从2 mm (8层)增加到5 mm(20层),衰减系数增大了0.54 dB/mm。     

悬浮液等离子喷涂热障涂层的沉积机制及热循环特性

悬浮液等离子喷涂(SPS)较大气等离子喷涂(APS)具有诸多优势,目前对SPS涂层沉积机理报道较少。采用6%~8%Y2O3-ZrO2(YSZ)悬浮液送料进行等离子喷涂制备热障涂层,利用激光粒度仪测试悬浮液中的YSZ粒度,采用扫描电镜(SEM)、光学显微镜观察雾化粒子形貌和涂层的显微组织,探讨涂层的热循环特性并分析其沉积机制。结果表明:悬浮液中93.38%的YSZ粒子尺寸在3.311μm以下;等离子火焰中雾化的YSZ粒子主要有熔融致密的小球状、未完全熔融的疏松球状和未熔融的原始无定形3种形态;喷涂时,小球状粒子撞击基体表面后主要形成直径3~7μm的致密扁平粒子,未完全熔融的疏松球状和无定形态粒子撞击基体时铺展不明显,粒子堆积时容易形成孔隙;粘结层与陶瓷层间横向裂纹的萌生扩展导致热障涂层最终脱落失效。     

基于热障涂层微结构的多孔隔热材料传热分析

热障涂层制备工艺不同,微结构不同,基于四参数随机生长方法,构造了各向同性热障涂层微结构,各向异性的层状和柱状热障涂层的微结构。利用热阻网络法开发了多孔涂层材料导热计算程序,针对上述3种不同微结构YSZ热障涂层的有效导热系数进行二维数值计算。通过与理论求解的串并联模型的模拟结果对比,验证了本文方法的有效性。计算结果表明,提高涂层的孔隙率是增强涂层隔热性能的有效途径;孔隙率一定时,孔隙直径对涂层导热系数无显著影响;层状结构隔热能力显著强于柱状结构。     

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。     

孔隙对碳/环氧层压板层间剪切强度影响的神经网络预测(英文)

采用一种新的方法研究了孔隙(孔隙率、孔隙形状和尺寸)对复合材料层压板[(±45)4/(0,90)/(±45)2]S,[(±45)/(0,90)2/(±45)]S和[(±45)/04/(0,90)/02]S的层间剪切强度影响的非线性关系。建立了了一个四层前馈型BP网络神经网络。采用真空袋和热压罐技术制备了含不同孔隙率的复合材料层压板。神经网络的算法为Levenberg-Marquardt算法。研究结果表明:Levenberg-Marquardt算法的预测能力较高,即,92%的B(决定系数)值大于0.9。而且,神经网络的结构会影响不同孔隙率的环氧树脂基复合材料的层间剪切强度的预测结果。