长寿命热障涂层失效机制、材料选择及结构设计研究进展

热障涂层（Thermal barrier coatings, TBCs）是一种应用于航空发动机、地面燃气轮机等动力装备的高效功能性隔热涂层,具有低导热系数、良好的高温相稳定性和断裂韧性等优点。随着动力系统强化程度的不断提高,关键部件常常在极端高温环境下服役,容易导致涂层发生开裂、分层、退化而过早失效。然而,目前关于长寿命热障涂层的失效机制、材料选择及结构设计缺乏相关系统总结。总结几种典型的热障涂层失效机制：残余应力失效、高温烧结失效、钙-镁-铝-硅酸盐（CMAS）渗透腐蚀失效和热生长氧化层（TGO）失效,提出减小涂层内部孔隙率、缩小层间热膨胀系数差、降低表面粗糙度等抑制涂层失效的方法。据此,从顶部涂层的材料选择与结构设计两方面阐述热障涂层的研究进展。从材料选择角度,归纳氧化锆和部分钇稳定氧化锆（YSZ）在长时高温环境下出现的问题,总结近年来的一些先进涂层材料,包括氧化物稳定氧化锆、A₂B₂O₇型氧化物、稀土钽酸盐以及自愈合材料。从结构设计角度,介绍不同涂层结构的制备方法,分别从微观结构、耐腐蚀性、涂层内部热应力、热循环寿命等方面对层状结构、柱状结构、纳米结构和功能梯度结构进行归纳。综述相关研究现状不仅能指出现有研究的不足及未来研究的发展方向,还能为开发更高抗腐蚀性、更好隔热性和更长寿命的新一代TBCs提供理论依据。     

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。     

TBC experience in land- based gas turbines

This paper summarizes prior and on-going machine evaluations of thermal barrier coatings (TBC) for power generation, that is large industrial gas turbine applications. Rainbow testing of TBCs on turbine nozzles, shrouds, and buckets are described along with a test of combustor liners. General Electric Power Generation has conducted more than IS machine tests on TBC turbine nozzles with various coatings. TBC performance has been quite good, and additional testing, including TBCs on shrouds and buckets, is continuing. Included is a brief comparison of TBC requirements for power generation and aircraft turbines.     

热障涂层系统的热梯度机械疲劳应力分析

基于IN738高温合金基体上涂覆的热障涂层系统(Thermal barrier coating system,TBCs),分析热循环和热梯度机械疲劳加载条件下涂层的应力分布及演变。通过有限元分析研究了热生长氧化层(Thermally growth oxidation,TGO)的应力分布,以预测不同载荷作用下TBCs的失效行为。结果可知,在热循环的基础上施加应变载荷会造成TGO应力性质及大小的改变。只施加温度载荷,在加热过程中TGO/粘结层(Bond coat,BC)界面波峰位置会承受轴向较大的拉伸应力,裂纹多会在此处萌生,且以层间开裂的方式失效。而在温度与机械载荷的共同作用下,冷却过程中会承受较大的拉伸应力,显著增大的轴向应力与径向应力共同作用,使垂直于TGO/BC界面的裂纹沿着界面方向扩展,从而造成陶瓷层(Top coat,TC)剥落。进一步对比分析了同相和反相加载时的应力分布,结果表明反相加载时一次循环周期内会产生拉伸平均应力,更易发生TBCs的失效。     

等离子喷涂ZrO2-NiCoCrAlY梯度涂层的界面强化热处理工艺

在大气条件下经高温长时间保温后,ＺｒＯ２ＮｉＣｏＣｒＡｌＹ 梯度涂层中的ＮｉＣｏＣｒＡｌＹ 组元发生严重氧化, 形成大量的ＮｉＯ, Ａｌ２Ｏ３ 和Ｃｒ２Ｏ３ 等氧化物, 导致ＺｒＯ２ 表面层中产生粗大网状裂纹, 并最终导致ＺｒＯ２ 表面层碎裂而失效。对梯度涂层进行（９００ ℃） 保温（８ ｈ） 的真空热处理后, 涂层完好无损, ＮｉＣｏＣｒＡｌＹ 底层与ＴＣ４ 基体发生了冶金化学反应, 在涂层与基体界面形成了含ＮｉＴｉ, ＮｉＴｉ２ 和ＴｉＡｌ３ 等化合物的反应层, 涂层的抗热震性能得以显著地提高     

航空发动机热障涂层的CMAS腐蚀行为与防护方法

热障涂层(thermal barrier coatings,TBCs)是航空发动机涡轮叶片的关键核心技术之一,可显著提高发动机工作温度,提升发动机推力和工作效率;但另一方面,更高的发动机工作温度使得叶片及其表面TBCs遭受严重的环境沉积物(主要成分为CaO、MgO、Al2O3和SiO2,简称CMAS)腐蚀,造成过早失效.CMAS腐蚀已成为限制TBCs工作温度和服役寿命的难题,抗腐蚀防护是目前TBCs领域研究的重点.本文首先综述了学者们对TBCs CMAS腐蚀问题的认识历程以及CMAS本身特性,再简述了TBCs的CMAS腐蚀机理,重点从TBCs的表面防护层设计、涂层成分改性、新型抗腐蚀涂层材料开发以及涂层结构设计等方面阐述了国际上目前TBCs的抗CMAS腐蚀防护方法,最后对TBCs的超高温环境应用及腐蚀防护发展方向进行了展望.     

Multilayered thermal barrier coating for land-based gas turbines

Multilayered thermal barrier coatings (TBC) with different functions were proposed for the hot section components of land-based gas turbines. This article describes a multilayered TBC with an oxidation resistant layer. A conventional duplex TBC and a triplex TBC, in which an aluminized layer was added to the conventional duplex TBC to increase oxidation resistance, were prepared. It was confirmed by a burner rig test that the triplex TBC with the aluminized layer is resistant to oxidation and shows high durability in a thermal cycle test, compared with the conventional duplex TBC. The spalling in the thermal cycle test of each TBC specimen occurred at the same position, when the thickness of the oxidation layer was 11 to 13 μm. The mechanism of spalling of the coating in the thermal cycle test was discussed in terms of stress in the coating. Stress in the direction of spalling occurred by an uneven interface between the bond and top coat and increased with growth of the oxidation layer. It is thought that the high durability of the triplex TBC in the thermal cycle test is derived from suppressing the growth of the oxidation layer and decreasing the stress due to the addition of the aluminized layer.     

8YSZ热障涂层表面织构设计及其抗热震性能

目的 研究不同表面织构形貌对8YSZ热障涂层的抗热震性能和失效机制的影响.方法 采用微电火花在高温镍基合金基体表面设计加工4种形貌的表面织构,并利用大气等离子喷涂技术制备相同厚度的8YSZ热障涂层.采用水淬法进行热冲击试验,利用场发射扫描电子显微镜(FESEM)、X射线衍射仪(XRD)和能谱仪(EDS),分析不同表面织构的微观结构演变、断裂形态、残余应力和元素分布,结合能量释放率准则,揭示不同织构形貌对失效机制的影响.结果 表面无织构的涂层的界面韧性较小,裂纹在边界和内部萌生,为氧气和腐蚀介质的扩散提供了通道,经热冲击后会发生大尺寸断裂,在16次水淬后出现大面积屈曲失效.凸织构顶部出现严重的应力集中现象,能量释放率较大,经18次水淬后脱黏失效.凹梯形织构界面韧性较大,内部残余应力较小,经30次水淬后织构两侧出现裂纹,平均抗热冲击次数为53,抗热冲击性能较好.结论 涂层与镍基合金基体之间的热膨胀系数存在较大差异,涂层受到热冲击后在界面产生较大的热失配应力,促使裂纹萌生.表面织构能够有效提高涂层的界面韧性,由于凹梯形织构具有最佳的偏转角,界面增韧效果最好,且能够有效阻挡裂纹的扩展,使得断裂失效缓慢,热冲击寿命得到显著提高.可为热障涂层的表面织构设计提供理论指导.     

等离子喷涂8YSZ涂层在铝熔体作用下热冲击行为的数值模拟

目的定量理解等离子喷涂8YSZ热障涂层浸入铝熔体中的热冲击行为。方法基于热-力耦合计算方法有限元数值模拟,研究等离子喷涂8YSZ热障涂层浸入铝熔体时涂层中的瞬态温度场和瞬态应力场,以及涂层预热温度、陶瓷层厚度对应力分布的影响。结果温度场计算表明,在涂层浸入铝熔体0.1 s时,涂层表面就达到了铝熔体温度。随着涂层浸入铝熔体的时间增加,涂层内的温度分布逐渐由指数分布转变为近线性分布,而且涂层内的温度梯度也随着时间的增加而减小。相应涂层中的应力在相当短的时间内就达到了最大值,并随着加热时间的增加,最大应力值逐渐减小。涂层预热温度越高,在陶瓷层中的轴向应力和环向应力均越小,预热温度对轴向应力的影响更加明显。随着陶瓷层厚度的增加,陶瓷层内的轴向应力和环向应力值均增加,粘结层内的轴向应力和环向应力值均减小。结论对热障涂层进行预热处理可以有效降低涂层中的热应力值。涂层厚度增加,陶瓷层内应力随之增加,粘结层内应力随之减小,且陶瓷层厚度对粘结层中的应力影响更加明显。     

Thermal shock testing of thermal barrier coating/bondcoat systems

Various methods of thermal shock testing are used by aircraft and industrial gas turbine engine (IGT) manufacturers to characterize new thermal barrier coating systems in the development stage as well as for quality control. The cyclic furnace oxidation test (FCT), widely used in aircraft applications, stresses the ceramic/bondcoat interface, predominantly through thermally grown oxide (TGO) growth stress. The jet engine thermal shock (JETS) test, derived from a burner rig test, creates a large thermal gradient across the thermal barrier coating (TBC), as well as thermomechanical stress at the interface. For IGT applications with long high-temperature exposure times, a combination of isothermal preoxidation and thermal shock testing in a fluidized bed reactor may better represent the actual engine conditions while both types of stress are present. A comparative evaluation of FCT, JETS, and a combined isothermal oxidation and fluidized bed thermal shock test has been conducted for selected ceramic/bondcoat systems. The results and the failure mechanisms as they relate to the TBC system are discussed. A recommendation on the test method of choice providing best discrimination between the thermal shock resistance of the ceramic layer, the ceramic/bondcoat interface, and even substrate related effects, is given. This paper was presented at the 2nd International Surface Engineering Congress sponsored by ASM International, on September 15–17, 2003, in Indianapolis, Indiana, and appeared on pp. 520–29.     

重型燃气轮机燃烧室外壳铸造工艺设计

针对重型燃气轮机燃烧室外壳整体尺寸较大、壁薄、尺寸精度难控制、补缩难度大、探伤要求高等特点,采用铸件不同方向、选用不同的收缩率、设置防变形拉筋、冒口跨热节补缩、设置冷铁和补贴分区补缩等工艺措施.通过Procast软件分析铸件凝固过程,优化铸造工艺,最终成功生产出合格的铸件.     

等离子喷涂ZrO2—NiCoCrAlY梯度热障涂层的抗热震性及失效机理

研究了ZrO2-NiCoCrAlY热障涂层的抗热震性和热震失效机理。实验结果表明,梯度热隙涂层能明显延缓热震裂纹的形成和扩展,具有较高的抗热震性。热震裂纹形成与扩展主要在粘结层与基体的界面处。随热循环次数的增加,热震裂纹可在表面陶瓷层内和陶瓷层与过渡层的界面处形成。实验表明热障涂层热震失效的过程主要是裂纹形成、扩展及涂层剥落,粘结层的氧化是导致涂层剥落失效的重要原因。