NiCoCrAlYHf/EB-PVD热障涂层的热循环氧化行为

采用电子束物理气相沉积方法(EB-PVD)在NiCoCrAlYHf粘结层上沉积YSZ热障层,研究了该热障涂层1 100℃的循环氧化行为(每个循环为:1 100℃保温30 min、空冷5 min),分析了粘结层和热生长氧化物的演化过程.结果表明:NiCoCrAlYHf粘结层氧化初期由β-NiAl和γ固溶体组成,186次循环氧化后β相完全转变为γ固溶体.NiCoCrAlYHf/EB-PVD热障涂层中的热生长氧化物包含Al2O3层和靠近热障层的尖晶石薄层.该热生长氧化物生长速度较快,在粘结层的一些富Hf区域优先生长而呈现出明显的不均匀性;但其具有较大的失效临界热生长氧化物厚度,失效时热生长氧化物均匀处的厚度约为10 μm.     

EB-PVD热障涂层高温氧化过程中的显微结构和相分析

采用磁控溅射方法在镍基单晶高温合金基体上沉积NiCrAlY粘结层，电子束物理气相沉积方法（EB－PVD）沉积陶瓷层（7mass%Y2O3-ZrO2)。用X－射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）等研究了EB－PVD热障涂层热循环过程中的相变，同时观察了样品的形貌变化。结果表明，EB－PVD方法沉积的陶瓷层，其柱状晶粒簇拥成团，表面比较致密，然而晶粒簇间存在间隙，允许柱状晶横向伸缩，使基体能在相对大的范围内自由膨胀。经高温氧化后，陶瓷层表面变得疏松，柱状晶粒簇间距增大，随着热循环的继续进行，相邻较大的间隙互相连接而形成微裂纹，并逐渐横向及纵向扩展，循环氧化比恒温氧化更易于产生显微裂纹。1050℃热循环过程中，ZrO2正方相的c/a轴比值逐渐增加，Y2O3含量逐渐减少，非平衡正方相逐渐分解成平衡正方相和立方相。循环300次后，观察到少量从平衡正方相转变而来的单斜相。     

外加电场对EB-PVD热障涂层高温氧化行为影响

根据YSZ在高温下是氧离子导体的电化学特性,对EB-PVD制备的双层结构YSZ/MCrAlY热障涂层试样进行外加直流电场作用下的高温氧化实验,利用SEM、EDS观察分析了外加电场条件下YSZ/MCrAlY界面热生长氧化物TGO结构形貌和成分。结果表明,在20V直流电场作用下经过1050℃,80h高温氧化后,与电源正极连接一侧热障涂层试样表面平整,TGO致密,与YSZ结合较好,而与电源负极连接一侧的涂层出现鼓起失效,涂层产生严重内氧化。外电场控制氧离子从YSZ表面向YSZ/MCrAlY界面扩散,改变YSZ/MCrAlY界面氧分压和氧空位浓度,对热障涂层高温氧化行为和失效产生影响。     

EB-PVD热障涂层热循环性能评价方法研究

制备8批次EB-PVD双层结构热障涂层试样,采用循环加热快速冷却实验装置模拟热障涂层服役环境,开展了热障涂层试样在不同热循环保温时间条件下的热循环性能评价实验,采用指数下降的数学模型对热循环实验数据进行拟合分析,获得了表征热障涂层试样静态氧化性能和热疲劳性能的物理量。结果表明,在本实验工艺条件下制备的不同批次热障涂层试样的静态氧化性能和热疲劳性能具有不同的匹配关系,热障涂层试样静态氧化性能总体估计值为(677±194)h,热疲劳性能总体估计值为(6789±1818)次。     

EB-PVD热障涂层热循环性能评价方法研究

制备8批次EB-PVD双层结构热障涂层试样,采用循环加热快速冷却实验装置模拟热障涂层服役环境,开展了热障涂层试样在不同热循环保温时间条件下的热循环性能评价实验,采用指数下降的数学模型对热循环实验数据进行拟合分析,获得了表征热障涂层试样静态氧化性能和热疲劳性能的物理量.结果表明,在本实验工艺条件下制备的不同批次热障涂层试样的静态氧化性能和热疲劳性能具有不同的匹配关系,热障涂层试样静态氧化性能总体估计值为(677±194)h,热疲劳性能总体估计值为(6789±1818)次.     

EB-PVD热障涂层的结构演变与表面拉曼光谱特性

热障涂层被广泛应用于航空发动机和燃气轮机等高温部件,其破坏机理和无损检测手段是研究中急需解决的问题。采用EB-PVD方法制备了陶瓷层厚度分别为180、120和90μm的3组热障涂层试样,经1 000℃高温氧化0、1、10、50和100h后,用HR800激光显微拉曼光谱仪测得试样表面的拉曼光谱特性,利用扫描电镜(SEM)观测了试样内部裂纹及氧化层(TGO)厚度的演变。研究表明,EB-PVD热障涂层裂纹主要发生在陶瓷层内部及陶瓷层与粘结层的界面处,粘结层和基体界面处产生裂纹的概率相对较小;同等条件下,增大陶瓷层的喷涂厚度,可以减缓氧化层的生长速度,但是会增大陶瓷层表面应力;热障涂层表面残余应力会随着热氧化时间的增加而增大,当表面残余应力减小时表明陶瓷层中有明显的裂纹或脱落产生。     

EB-PVD热障涂层的弹性模量和断裂韧性研究

用压痕法测量EB-PVD热障涂层的弹性模量及断裂韧性。发现热障涂层的Vickers显微硬度和弹性模量随施压载荷增大而减小,当载荷为2.94N时,显微硬度和弹性模量接近稳态值,分别为6.3GPa和172GPa;断裂韧性平均值约为1.81MPa·m1/2。压痕法测得陶瓷层断裂韧性数据波动较大,其主要原因是陶瓷层显微结构不均匀,使压痕裂纹在涂层不同局部区域所遇到的扩展阻力不同。     

TiAl合金表面EB-PVD制备热障涂层及高温抗氧化性能

利用EB-PVD技术在Ti Al合金表面制备了扩散铝/YSZ热障涂层。采用SEM、EDS和XRD分析了涂层原始及高温氧化后的微观组织及相组成,并测试了高温氧化性能。结果表明:涂层表面YSZ层为致密柱状晶结构,由非平衡四方相t′-ZrO_2组成。Ti Al合金沉积了扩散铝/YSZ热障涂层后高温氧化性能显著提高,氧化动力学曲线呈对数变化规律,900℃高温氧化时,氧化速率为2.2×10~(-5) mg/cm~2·h。1000℃高温氧化时,氧化速率为1.14×10~(-3) mg/cm~2·h。在高温氧化过程中,粘结层与基体之间发生元素扩散,膜基界面消失。在面层与中间粘结层之间形成了均匀连续的热生长氧化物层TGO。     

EB-PVD非连续沉积对热障涂层热循环氧化性能的影响

通过EB-PVD非连续沉积工艺方法沉积制备了热障涂层中的YSZ涂层,同时比较研究了非连续沉积与正常沉积热障涂层在1100℃下的循环氧化性能.研究结果表明,在破除真空后继续沉积制备热障涂层过程中形成的横向微裂纹起到了类似微叠层的效果,减缓了O沿柱状晶向TGO的渗透,同时该裂纹也阻止了Ni、Cr、Co等元素通过粘接层向外的扩散速度,延缓了TGO的生长速度.因此,非连续沉积制备的热障涂层在1100℃加热30 min、室温冷却5 min的热循环氧化增重比较缓慢,其对热循环氧化寿命没有明显的影响.     

EB-PVD热障涂层系统界面应力的理论分析

目的获得热障涂层系统危险界面应力解析解及其变化规律。方法基于弹性理论,推导出能同时考虑氧化物热生长及其形貌、CaO-MgO-Al2O3-SiO2(CMAS)沉积、温度变化、材料参数不匹配的危险界面应力分布的解析解。分别研究热循环中氧化层热生长和CMAS沉积对热障涂层界面应力的影响,并从应力演化的角度对危险界面微裂纹的萌生和扩展进行预测。结果理论分析显示,当系统经历24个热循环后,陶瓷层/氧化物层界面波谷应力σv从最初的0增加到301.44MPa。氧化物层/粘结层界面波峰应力σp从最初的617MPa增加到1189.89MPa。当CMAS沉积深度hCMAS从0增加到150μm时,应力σv从170.26MPa增加到443.37 MPa,应力σp从1317.83 MPa减小到1050.17 MPa。结论氧化物热生长可以促使陶瓷层/氧化物层界面波谷和氧化物层/粘结层界面波峰裂纹的萌生和扩展。CMAS沉积将进一步促使陶瓷层/氧化物层界面开裂,然而对氧化物层/粘结层界面的开裂有抑制作用。解析解的计算结果与先前的有限元分析结果和模型试验结果相近,证明了该理论方法计算界面应力的准确性。     

Oxidation Study of an EB-PVD MCrAlY Thermal Barrier Coating System

In this paper the oxidation kinetics data on a TBC system where the NiCoCrAlY bond coat and the YSZ topcoat are both applied by the EB-PVD process are presented. The oxidation testing was performed at 950, 1050 and 1150 °C with times up to 1000 h. SEM analysis and modelling of the TGO growth rate show that the TGO is formed in two stages and that the initial oxide formed during the manufacture of the topcoat is non-protective. A global expression is derived for the oxidation kinetics at the three temperatures.     

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。     

表面强化对EB—PVD热障涂层的高温氧化性能及结合强度的影响

采用电子束物理气相沉积（EB－PVD）方法在DZ22合金基体上沉积制得了在NiCoCrA1Y粘结层和YSZ（Yt-tria Stabilized Zirconia)陶瓷顶层组成的双层结构的热障涂层。研究了NiCoCrA1Y粘结层表面的喷丸强化处理对热障涂层的抗氧化性能的影响,利用MTS测试了经等温氧化不同时间后的热障涂层内部的结合强度,并采用SEM和XRD观察和分析了涂层的界面结合以及相组成。结果表明,等温氧化后热障涂层内部的结合强度急剧降低,在位伸和剪切应力作用下,涂层沿着TGO（Thermally Grown Oxide）层内部断裂失效,强度为0．3MPa的表面喷丸处理能显著提高热障涂层的抗氧化性能和涂层内部TGO层的结合强度。     

Temperature Estimation and Al Content Prediction Focusing on Microstructural Change in a Thermal Barrier Coating

A superalloy with a thermal barrier coating (TBC) simulating a gas turbine blade is exposed to a high-temperature environment to develop a method for predicting the local temperature and Al content in a bond coat (BC). The Al content decreases with an increase in the test time due to the Al transport induced by the oxidation of the BC and the interdiffusion between the BC and the substrate. This brings about Al-decreased layer (ADL) at the boundary between the BC and the top coat. The thickness of the ADL increases in proportion to the square root of the test time, and the temperature dependence of the growth rate shows an Arrhenius-type behavior. Based on this relation, the local temperature of an in-service blade can be estimated by measuring the ADL thickness when the operation time is known. The Al content decreases in proportion to the ADL thickness. The prediction method of the Al content based on the relation is also presented.     

EB-PVD热障涂层的表观压痕尺寸效应

采用Knoop压痕法评价沉积于镍基单晶高温合金基体上的EB—PVD热障涂层的显微硬度。测试结果表明，热障涂层系统的显微硬度存在压痕尺寸效应，即表观显微硬度随施压载荷的增加而显著降低。用弹／塑性模型Knoop压痕能量平衡对表观压痕尺寸效应进行分析，并从实验测试结果分析得出与载荷无关的显微硬度值。     

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.