等离子喷涂纳米热障涂层热震性能

采用等离子喷涂工艺制备常规和纳米结构ZrO2-7%Y2O3热障涂层,比较两种涂层在850℃下的热震性能,并探讨其热震失效机理。结果表明,不管是首次出现宏观裂纹(局部剥落)还是达到热震失效,纳米结构热障涂层的热震次数都明显高于相应的常规涂层。相对于常规涂层,纳米结构涂层有较好的抗热震性能。等离子喷涂常规热障涂层的热震失效形式为大面积整体剥落,而纳米结构热障涂层热震失效形式为边角局部剥落。     

Al2O3对等离子喷涂热障涂层高温氧化及热震性能的影响

采用等离子喷涂 (PS)在GH5 36高温合金基材上制备了典型的双层热障涂层 (TBCs)和两种分别加入了Al2 O3 陶瓷成分的复合热障涂层。典型的TBCs采用Ni2 2Cr10AlY连接层与 8%Y2 O3 稳定的 (8YPSZ)顶层的双层结构 ;多层涂层分别采用Al2 O3 与Ni2 2Cr10AlY复合的连接层和Al2 O3 与 8YPSZ复合的顶层。3种类型试样的10 0h ,10 0 0℃静态氧化及 10 5 0℃热震试验的结果分析表明 :8YPSZ Al2 O3 的复合氧障层具有最佳的氧化阻力 ;Ni2 2Cr10AlY 8YPSZ双层涂层的热震阻力最佳 ,氧化阻力最差 ;连接层采用Ni2 2Cr10AlY Al2 O3 复合涂层具有热震和静态氧化条件下综合优良的高温热循环性能     

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,梯度热障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.     

等离子喷涂热障涂层的高温氧化行为研究

采用等离子喷涂工艺在K38高温合金基体上分别制备了Y2O3稳定的ZrO2(YSZ)和MgO稳定的ZrO2热障涂层(MSZ),利用热重分析、X-射线衍射和带能谱的扫描电镜等手段,研究分析了两种涂层在900℃和1000℃的高温氧化性能.结果表明:YSZ涂层和MSZ涂层在900℃都有较好的抗高温氧化性能:MSZ涂层在1000℃氧化时发生了相变,引起陶瓷外层开裂,影响了涂层的抗氧化性能和使用寿命,而YSZ涂层在1000℃氧化没有相变发生,表现出比MSZ涂层更佳的抗氧化性能.     

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。     

等离子喷涂Al2O3与ZrO2复合热障涂层的高温性能

采用等离子喷涂(PS)方法，在GH536高温合金基材上制备了传统的双层热障涂层(TBCs)和2种含有Al2O3与ZrO2陶瓷复合层的3层热障涂层。传统TBC8结构为Ni22Cr10AlY合金连接层和8％Y2O3部分稳定的ZrO2(8YPSZ)陶瓷顶层；3层TBCs中分别采用置于8YPSZ陶瓷层内层及外层的Al2O3与8YPSZ复合层。3种类型试样的100h。1050℃静态氧化试验及1050℃热震试验结果表明：3层涂层较双层涂层的氧化阻力提高，双层涂层的热震阻力最佳，氧化阻力最差。不同复合层形式试样的热振失效方式和寿命也有差别，复合层置于陶瓷层外层热震寿命略高，但100h氧化增重有明显提高，抗氧化性降低。     

等离子喷涂YSZ热障涂层的热腐蚀行为研究

为了研究YSZ热障涂层在热腐蚀环境下的服役情况,采用等离子喷涂工艺在K38高温合金基体上分别制备了Y2O3稳定的ZrO3（YSZ）热障涂层和MgO稳定的ZrO2热障涂层（MSZ）,利用热重分析、X-射线衍射和带能谱的扫描电镜等手段,研究分析了这2种涂层在850℃含氯硫酸盐膜下的热腐蚀行为。结果表明：MSZ涂层在850℃热腐蚀时发生了相变,引起陶瓷外层开裂和剥落,影响了涂层的抗高温性能和使用寿命;而YSZ涂层在850℃腐蚀后没有相变发生,表现出了比MSZ涂层更佳的抗热腐蚀性能。     

等离子喷涂梯度热障涂层的抗热震性能

对比研究了等离子喷涂梯度热障涂层与双层热障涂层,试验中梯度热障涂层选用不同比例的NiCoCrAlY与ZrO₂-8%Y₂O₃复合粉末作为梯度过渡层材料,并对两种结构的热障涂层进行了抗热震性能试验。抗热震试验结果表明,梯度热障涂层的抗热震寿命明显高于双层热障涂层的抗热震寿命。     

等离子喷涂ZrO2热障涂层的抗热震性能研究

采用等离子喷涂方法在304不锈钢表面喷涂NiCoCrAIY2O3+(ZrO2+7%Y2O3)陶瓷热障涂层,模拟航空发动机涡轮叶片工作环境,研究涂层在加热和空气冷却条件下的抗热震性能.结果表明:喷涂后的涂层内部产生大量微观裂纹,随着热震次数的增加,陶瓷层内部的纵向微观裂纹通过大孔隙的连通方式逐渐在涂层内部扩展.ZrO2陶瓷喷涂后涂层主要以四方相和部分立方相组成,当涂层在热震40次时,陶瓷中的部分四方相向单斜相转变,并伴随着体积的变化,易在涂层中形成新的裂纹并加快原有裂纹的扩展.     

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 TGO 的形成与生长研究

目的研究热障涂层(TBC)和纯粘结层(BC)在1100℃下的氧化动力学,探讨热障涂层中热生长氧化物(TGO)组织结构的演化规律。方法运用大气等离子喷涂技术(APS)制备涂层,对比分析热障涂层和纯粘结层涂层在1100℃下等温氧化2,5,10,20,50,100,200,350 h后TGO的厚度变化,并对粘结层表面和热障涂层截面分别进行XRD和SEM分析。结果热障涂层和纯粘结层在1100℃下的氧化动力学均遵循抛物线规律,其氧化速率常数分别为0.344,0.354μm/h0.5。等温氧化5 h后,TGO的主要成分为α-Al2O3;随氧化时间的增加,生成Cr2O3、尖晶石、Co O和Ni O的混合氧化物;等温氧化100 h后,Co O消失,Ni O的含量减少,Cr2O3和尖晶石氧化物的含量增加;等温氧化350 h后,TGO中出现了裂纹,但涂层仍未剥落,TGO最终由顶层多孔的混合氧化物层和底层具有柱状晶结构的α-Al2O3层组成。结论顶层陶瓷层(TC)对热障涂层氧化速率常数的影响很小。TGO中α-Al2O3首先形成并以柱状结晶的方式生长,混合氧化物在α-Al2O3上形成,TGO生长速度逐渐变缓。     

多层结构热障涂层抗热震性能的研究

本文采用电子束物理气相沉积技术(EB-PVD)在镍基单晶合金N5基体上制备了双层热障涂层(粘结层+陶瓷层)和三层热障涂层(粘结层+混合层+陶瓷层),并对两组涂层体系的热循环性能进行1100℃保温5min 水冷的热震实验,对其微观组织结构采用扫描电镜、能谱仪以及X射线衍射进行了分析。研究发现,在粘结层和陶瓷层之间添加的混合层(NiCrAlY+YSZ)能够延缓TGO层的生长,并具有缓解内应力的作用,两者的共同作用使得三层结构的热障涂层表现出更为优异的热匹配性。     

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。     

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。     

等离子体喷涂环境障涂层高温失效研究进展

环境障涂层因具有良好的抗高温水氧腐蚀能力而备受关注,但是由于外部砂粒等对涂层表面的侵蚀作用,仅能满足抗水氧腐蚀,还不能达到未来航空器高温部端的要求,CMAS 腐蚀是对环境障涂层的另一个挑战。 环境障涂层多采用等离子体喷涂工艺制备。 由于涂层在经历高低温冲击时,会不可避免地发生失效。 针对这一事实,文中对涂层失效种类和失效方式进行了总结和归纳,同时还介绍了环境障涂层的产生和发展历程。 从微观、介观到宏观的维度介绍了环境障涂层的选材;通过分析国内外在环境障涂层方面的研究结果,结合计算模拟对 CMAS 引起的失效、高温水蒸气引起的失效以及热冲击引起的失效,进行了详细的阐述并总结了相应的失效机理;最后指出了环境障涂层面向应用仍然需要解决的问题以及未来的研究趋势。     

大气等离子喷涂热障涂层CMAS防护层成分及厚度优化

目的优化热障涂层(TBCs)CMAS(CaO-MgO-Al_2O_3-SiO_2)阻抗层的成分和厚度,使其能有效阻抗CMAS沉积物的腐蚀,并同时与热障涂层有较高的结合力。方法首先利用多孔无压烧结陶瓷块体研究了不同含量Al_2O_3和8YSZ(8wt.%氧化钇稳定氧化锆)均匀混合后在高温(1250℃)条件下对CMAS沉积物的防护作用。采用扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)以及X射线衍射(XRD)仪,分析研究了CMAS腐蚀层的显微结构、腐蚀深度及反应产物。其次,基于最优成分,利用大气等离子喷涂(APS)制备了具有8YSZ/Al_2O_3陶瓷层的热障涂层。对CMAS腐蚀厚度进行分析测量,提出CMAS阻抗层的厚度。结果 Al_2O_3的添加可以有效地阻碍CMAS的渗入,并且Al_2O_3含量越多,防护效果越好。但是CMAS的渗入深度和氧化铝的添加量呈非线性关系。结合TBC陶瓷层的热学性能和力学性能的要求,本实验中最佳的TBCs复合陶瓷层组分为70wt%8YSZ+30wt%Al_2O_3。基于实验结果,提出YSZ/Al_2O_3复合陶瓷层(50μm)-YSZ陶瓷层(150μm)的双层TBC陶瓷层结构,并综合计算出复合陶瓷层的热膨胀系数为9.93×10-6℃-1以及双层TBC陶瓷层的热导率为2.4 W/(m·K)。最后对Al_2O_3减缓CMAS腐蚀的机理进行了量化分析。结论 YSZ/Al_2O_3复合阻抗层的最优成分为70wt%8YSZ+30wt%Al_2O_3,厚度为50μm,能有效阻碍高温下CMAS腐蚀。     

Remaining Fatigue Life Assessment of Plasma Sprayed Thermal Barrier Coatings

Ceramic functional coatings are frequently applied to structural materials, covering a wide range of thermomechanical and electrochemical applications. The main limiting feature is their reliability when subjected to cyclic transient thermal stresses. The study described in this article is a continuation of earlier research study focused on acoustic emission (AE) monitoring of the thermomechanical aging effects in ceramic coatings. Here, emphasis is placed on the usefulness of combining AE short-term monitoring with finite element modeling (FEM) to predict the performance of such coatings when subjected to cyclic thermal loads. The FEM study presented in this article is based on a three-dimensional, time-dependent approach, of the stress fields that developed within the coatings during the post-deposition cooling step and the thermal cycling. Experiments were conducted using yttrium-stabilized zirconia (YSZ) and Alumina (Al₂O₃) ceramic coatings combined with a NiCr-based intermetallic bond coat.     

等离子喷涂-物理气相沉积7YSZ热障涂层的高温氧化行为

以纳米团聚烧结的ZrO2-7%Y2O3(7YSZ)粉末为原料,采用等离子喷涂-物理气相沉积(PS-PVD)工艺及大气等离子喷涂工艺(APS)在镍基高温合金表面制备了柱状热障涂层(C-TBC)和层状热障涂层(L-TBC),并进行1 000℃的恒温氧化试验,采用X射线衍射仪、扫描电镜、电子探针、能谱分析等检测手段表征热障涂层的微观结构和高温氧化行为。结果表明:C-TBC涂层在氧化初始阶段快速生成TGO层,氧化50h后TGO层生长速率减慢,氧化动力学曲线符合五次方抛物线规律,而L-TBC涂层氧化动力学曲线符合常规二次方抛物线规律。C-TBC涂层氧化速度快于L-TBC涂层,但抗氧化剥落性能优于L-TBC涂层。     

Microstructure and Thermal Properties of Plasma Sprayed Thermal Barrier Coatings from Nanostructured YSZ

Nanostructured yttria-stabilized zirconia (YSZ) thermal barrier coatings (TBCs) were produced by atmospheric plasma spraying. The microstructure of the sprayed coating was characterized by transmission electron microscope (TEM) and scanning electron microscope (SEM). The nano-coating had a higher porosity of ~25% than the conventional coating, which is mainly attributed to the large amount of intersplat gaps in the nano-coating. The thermal conductivity for the nano-coating was in the level of 0.8-1.1 W/m·K, about 40% lower than that for the conventional coating, indicating a better thermal insulation performance. The nano-TBC exhibited a thermal cycling lifetime of more than 500 cycles, whereas spallation failure of the conventional TBC occurred within 200 cycles. Accelerated sintering could be one of the reasons for the failure of the nano-TBC.