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。     

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。     

等离子喷涂热障涂层高温风洞热震行为

采用等离子喷涂工艺制备ZrO2-8%Y2O3(质量分数,下同)陶瓷层,冷喷涂制备CoNiCrAlY粘结层,在高温燃气风洞条件下测试热障涂层的热震性能,并研究了高温氧化处理对试样热震性能的影响.结果表明,等离子喷涂热障涂层具有较好的抗热震性能,经过100次热震循环后,涂层与基体结合良好,涂层较为完整,未出现大面积的剥落;经过氧化处理后的试样抗热震性较差.     

等离子喷涂常规和纳米ZrO2-7％Y2O3热障涂层隔热性能

采用等离子喷涂工艺在TiAl合金表面制备常规和纳米ZrO2-7％Y2O3(质量分数)热障涂层,分析了两种涂层的组织结构,并对其隔热性能进行了比较.结果表明,等离子喷涂常规热障涂层呈典型的层状堆积特征,而纳米涂层为特殊的两相结构.相对于常规涂层,纳米涂层有较好的隔热性能;在1100℃时,等离子喷涂常规及纳米涂层的隔热温度分别为83、127℃.     

等离子喷涂和激光熔覆热障涂层隔热性能比较

采用多种方法制备不同类型的Al2O3-13％TiO2热障涂层,即等离子喷涂常规涂层、纳米结构涂层及激光熔覆纳米结构涂层．在分析三类涂层微观组织的基础上,对其隔热性能进行了比较．结果表明,即等离子喷涂常规陶瓷涂层呈典型的层状堆积特征,纳米结构涂层都为特殊的两相结构,其中部分熔化区由类似的残留纳米粒子组成,等离子喷涂纳米结构涂层的完全熔化区为片层状结构,而相应的激光熔覆涂层的完全熔化区则为细小等轴晶．在相同条件下,等离子喷涂纳米结构热障涂层具有最好的隔热性能,而激光熔覆纳米结构涂层的隔热性能要好于等离子喷涂常规涂层．     

超音速火焰喷涂MCrAlY粘结层对热障涂层热震性能的影响

分别采用超音速火焰喷涂技术(HVOF)和等离子喷涂技术(APS)在高温合金GH99上制备MCrAIY粘结层(BC),对比研究了HVOF和APS喷涂BC对热障涂层(TBC)热震性能的影响.结果表明:APS喷涂BC界面不平整,起伏较大,而HVOF喷涂BC界面较为平整.经200次热循环后,APS喷涂TBC部分陶瓷层(TC)出现剥落,而HVOF喷涂TBC仅出现细小的微裂纹,生成的热生长氧化物(TGO)比较厚.APS喷涂TBC经过350次热循环后,涂层出现大面积剥离现象.而HVOF热障涂层直到热震430次后,才出现涂层剥落现象.拉曼光谱(RFS)残余应力分析表明,HVOF热障涂层残余应力随热循环次数的增加而增大,热震350次后APS热障涂层残余应力为650MPa,而HVOF热障涂层热震400次后其应力值仅为571 MPa.可知,HVOF显著地提高了TBC的热震性能.     

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.     

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。     

等离子喷涂常规和纳米ZrO_2-7%Y_2O_3热障涂层的热腐蚀性能

采用等离子喷涂技术制备了常规和纳米MCrAlY/ZrO2-7%Y2O3(质量分数)双层系统热障涂层。比较了两种涂层的微观结构和850℃下75%Na2SO4+25%NaCl(质量分数)混合熔盐中耐热腐蚀性能,并探讨了涂层的热腐蚀破坏机理。结果表明,等离子喷涂常规和纳米热障涂层都为典型的层状堆积结构,但与常规涂层相比,纳米团聚体粉末喷涂过程中熔化充分,其涂层孔隙率低,组织更致密。两种涂层的热腐蚀破坏都是稳定剂Y2O3的消耗而引起的部分四方相转化为单斜相的马氏体相变,但总体上纳米热障涂层本身的热腐蚀程度要小于常规涂层,其对金属粘结层及基体的保护也更好。     

等离子喷涂纳米氧化锆涂层研究进展

等离子喷涂氧化锆涂层用作航空和陆基发动机热保护已经有数十年历史,取得了很好的效果.为了进一步提高发动机的效率和寿命,人们致力发展新的涂层材料和改进现有涂层的结构和性能.文中叙述了中国科学院上海硅酸盐研究所在等离子喷涂纳米氧化锆涂层方面的近期研究结果.通过工艺参数调整控制涂层微观结构,制备了具有纳米结构的3 % Y2O3-ZrO2涂层;较为系统地测定了涂层的物理、力学和热物性能;对比了纳米和常规氧化锆涂层的抗热震行为,初步阐述了不同涂层的热震破损失效机制;对涂层的生物活性和细胞相容性亦进行了初步评价.此外,还展望了等离子喷涂纳米氧化锆涂层的未来研究工作方向.     

热循环下梯度热障涂层热氧化物生长的应力分析

建立了一种预测多层复合梯度热障涂层热应力的理论模型,并通过有限元方法分析了梯度涂层分布指数n、热循环过程中热氧化物的生长对涂层热应力大小及分布的影响。结果表明,通过控制梯度涂层的成分分布指数可以显著降低热应力和改善应力分布。当n=1时,涂层热应力较小且变化平缓,结合性能优异。与双层非梯度涂层的热应力对比可知,功能梯度涂层能显著地缓和涂层系统的热应力和消除应力集中。另外,热循环过程中梯度热障涂层与基体界面附近生长的热氧化物急剧地提升了界面附近的热应力,复杂而又集中的热应力对梯度涂层有很大的破坏。同时采用了一种方法来抑制热氧化物的生长,结果显示该方法能较好地优化涂层的热应力和改善涂层质量。     

Thermal Performance of Low-Melting-Temperature Alloy Thermal Interface Materials

Thermal resistance of low-melting-temperature alloy(LMTA) thermal interface materials(TIMs) was measured by laser flash method before and after different stages of heating.The results showed that the thermal performance of the LMTA TIMs was degraded during the heating process.It is suggested that the degradation may mainly be attributed to the interfacial reaction between the Cu and the molten LMTAs.Due to the fast growth rate of intermetallic compound(IMC) at the solid–liquid interface,a thick brittle IMC is layer formed at the interface,which makes cracks easy to initiate and expand.Otherwise,the losses of indium and tin contents in the LMTA during the interfacial reaction will make the melting point of the TIM layer increase,and so,the TIM layer will not melt at the operating temperature.     

绝热材料的显微结构及绝热性能

着重分析了材料的显微结构对材料导热系数的影响:高孔隙率减弱固相传热作用从而使材料的导热系数减小,但是,高孔隙的也增大辐射传热作用.适当降低孔隙可减少辐射传热作用,这在高温时特别明显.尺寸<1 mm的孔隙中对流传热被制止,不再对传热起作用.在保持孔隙总量不变的前提下减小孔径可使孔隙数量增大,从而减小导热系数.小于100 nm的孔隙可以消除气体本身的热传导,从而极大地减小材料的导热系数.展示了几种不同显微结构的材料及其绝热性能.     

Microstructure and Thermal Behavior of Thermal Barrier Coatings

Yttria stabilized zirconia thick coatings were thermally sprayed from two different feedstock powders. Coating characteristics such as density, crystalline phase composition, and microstructure were evaluated. The thermal expansion coefficient and thermal diffusivity were measured as a function of temperature up to 800 °C and analyzed in terms of the microstructural features. The ability of available models to relate the measured thermal properties to the microstructural features as characterized by readily available methods was assessed. The importance of pore shape and orientation on the thermal conductivity was evidenced. The thermal contact resistance between the substrate and the coating in these samples was estimated from the thermal diffusivity data, and found to change during cooling from 800 °C.     

Self-Enhancing Thermal Insulation Performance of Bimodal-Structured Thermal Barrier Coating

Nanostructured thermal barrier coatings (nano-TBCs) are being extensively studied because of their excellent thermal barrier properties. The occurrence of sintering in TBCs is inevitable in service; however, accelerated sintering of the nano-TBCs may cause premature failure. This study focuses on the changes of microstructure and thermal conductivity of bimodal nano-TBCs during thermal exposure. Results show that there are two stages in the sintering process. It was found that the thermal conductivity increased rapidly in the first stage (from 0 to 20 h), with the rate of increase in normalized thermal conductivity equal to 140% of bimodal coating. The continuous healing of the pores was the main structural change. During the following stage (20 to 100 h), the thermal conductivity decreased with the rate of increase in normalized thermal conductivity equal to ??8% of bimodal coating. The change of structure was the opening of pores. Furthermore, self-enhancing behavior of bimodal composite coatings was discovered. The phenomenon of inevitable sintering in thermodynamics can be used to introduce large-aspect-ratio pores in the in-depth direction, which can greatly slow down the increase in thermal conductivity in service and ultimately increase the lifetime of the thermal insulation. Based on a full study of the sintering mechanism of composite coatings, the present study sheds light on the structural adjustments that lead to a lower thermal conductivity and longer service life in the advanced TBC during high-temperature service.     

热障涂层热疲劳寿命预测模型研究

目的 建立热障涂层寿命预测模型,并研究涂层寿命预测与各种应力应变信息的相关性。方法 首先利用带热障涂层圆管试验结果,将涂层界面简化为余弦曲线,建立了相应的二维轴对称有限元模型;然后根据热障涂层疲劳试验结果,结合线性疲劳累积理论和Manson–Coffin低周疲劳模型,建立了热障涂层的寿命预测模型,并将拟合问题转化为寻优问题,使用遗传算法确定寿命预测模型中的系数;最后基于热障涂层试验的微观照片确定出危险点位置,选取正向、剪切、等效和通过二向应力应变分析方法提取垂直于余弦曲面形貌的11种应力应变信息进行寿命预测,并分析了寿命预测的最大误差和平均误差,对分析的结果进行了验证。结果 采用等效应变范围进行涂层寿命预测的最大误差和平均误差最小,分别为50%和21%,涂层寿命与等效应力的相关性最大。采用等效应变进行寿命预测的结果与文献中的结果相比,最大误差降低了169.1%,整体的寿命预测值从±2倍分散带之内缩小到了±1.5倍分散带之内。采用等效应变范围进行不同工况下的涂层寿命预测,预测结果为130次循环,试验结果为160次循环,寿命预测的结果较好。结论 证明了所建立模型的正确性与准确性,为涂层寿命...     

等离子工艺热障涂层的热疲劳分析

热障涂层作为先进的热防护技术,在航空发动机热端部件上有重要的应用,它与先进气膜冷却技术、先进单晶合金材料技术并称为航空发动机涡轮叶片三大关键技术。为了保证发动机安全可靠地工作,研究并测试热障涂层的力学参数和热疲劳特性是其工程应用的前提与基础。本文以等离子喷涂工艺制备的热障涂层为研究对象,利用共振原理和复合梁理论,获得了热障涂层表层一陶瓷层从常温到1150℃高温条件下的杨氏模量。同时,鉴于热障涂层的热疲劳失效模式为剥落,着重对热障涂层的热疲劳特性进行研究。以带热障涂层的圆管试样为模拟件进行了热疲劳试验,试验载荷选择50℃／1050℃的梯形波。利用所测试的材料参数和有限元方法进行了热变形分析,提取了热疲劳寿命控制参量,对模拟试样的热疲劳寿命进行了预测,结果显示,预测结果较为精确。     

热喷涂纳米结构热障涂层的最新研究

分析列举了近些年来热喷涂纳米结构热障涂层（TBCs）的最新研究进展和成果。重点比较了热喷涂纳米结构TBCs与传统TBCs之间的性能差异。最后对热喷涂TBCs的研究前景作了展望。     

基于热接触分析的电主轴热态特性研究

采用热接触有限元分析方法对电主轴的温度场进行了分析,并且通过实验对有限元分析模型进行了校核和验证,提出了改善电主轴热态特性的措施,对改进措施的效果进行有限元分析,分析表明改进措施具有良好效果。分析了在油脂润滑和油-气润滑条件下电主轴温升所引起的的热变形,结果表明降低主轴温升对减小主轴的热变形具有明显效果。     

红外热波检测热激励源的优化

为解决热激励信号的选取问题,从热波检测的原理出发,建立了求解试件温度分布的偏微分方程组。通过分析方程组,发现热激励信号强度与温度升高值成正比关系。先从理论上对其进行推导,并使用ANSYS软件对试件内热传导过程进行数值计算。结果表明,增强热激励信号在脉冲热像法中可以成正比增大最大温差,在阶梯热像法中可以成正比增大各时刻的温差,在锁相热像法中可以成正比增大幅值差,为热激励信号强度的定量选取提供了理论依据和具体尺度。