多层结构热障涂层的抗热震性能

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2组涂层体系的热循环性能进行1100℃保温5 min水冷的热震实验,采用扫描电镜、能谱仪以及X射线衍射对其微观组织结构进行了分析。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。     

粘结层和陶瓷层厚度对纳米结构热障涂层性能的影响

采用超音速火焰喷涂+大气等离子喷涂工艺,在K403高温合金表面制备不同层厚比的NiCrA-lY/纳米7YSZ热障涂层,研究了涂层厚度变化对热障涂层表面粗糙度、结合强度、热震性能和热循环寿命的影响规律。结果表明:当粘结层厚度一定时,随着陶瓷层厚度的增加,其表面粗糙度增加,涂层结合强度下降;当粘结层厚度为50μm时,热障涂层的抗热震性能随陶瓷层厚度增加而降低,粘结层厚度提高至100μm时,热障涂层的抗热震性能随陶瓷层厚度增加先提高,后降低,热障涂层在1100℃的热循环寿命测试结果也基本对应这一规律;当粘结层厚50μm且陶瓷层/粘结层的层厚比在(1～2)∶1的范围内,或者粘结层厚100μm且陶瓷层/粘结层的层厚比在(2～2.5)∶1范围内时,热障涂层具有较优异的性能。     

Properties of Thermal Barrier Coatings Made of Different Shapes of ZrO2-7wt%Y2O3 Powders

大气等离子喷涂ZrO2-7%Y2O3 (7YSZ, Y2O3为质量分数)热障涂层广泛用于航空发动机热端部件以提高金属基体的抗腐蚀、耐高温、抗冲蚀等性能。采用超音速火焰喷涂(HVOF)以NiCoCrAlYTa粉为原料在高温合金K4169基体上制备了粘结层,通过大气等离子喷涂(APS)分别以团聚、空心7YSZ粉为原料在粘结层上制备了陶瓷面层。使用扫描电镜(SEM)和工业电子计算机X射线断层扫描技术 (ICT)对团聚、空心粉热障涂层的微观结构进行观察分析,然后再对以上 2 种热障涂层的抗氧化、热震、结合、隔热等热物性能进行对比分析。研究结果表明：空心粉热障涂层陶瓷层中存在大量的微孔和裂纹;热障涂层陶瓷层中不同孔隙率对粘结层高温抗氧化性能没有明显的影响,但它有助于提高热障涂层的热震性能和隔热性能;此外,高的涂层孔隙率会导致空心粉热障涂层的结合强度低于团聚粉热障涂层     

团聚及空心ZrO_2-7%Y_2O_3热障涂层性能（英文）

大气等离子喷涂ZrO2-7%Y2O3(7YSZ,Y2O3为质量分数)热障涂层广泛用于航空发动机热端部件以提高金属基体的抗腐蚀、耐高温、抗冲蚀等性能。采用超音速火焰喷涂(HVOF)以NiCoCrAlYTa粉为原料在高温合金K4169基体上制备了粘结层,通过大气等离子喷涂(APS)分别以团聚、空心7YSZ粉为原料在粘结层上制备了陶瓷面层。使用扫描电镜(SEM)和工业电子计算机X射线断层扫描技术(ICT)对团聚、空心粉热障涂层的微观结构进行观察分析,然后再对以上2种热障涂层的抗氧化、热震、结合、隔热等热物性能进行对比分析。研究结果表明:空心粉热障涂层陶瓷层中存在大量的微孔和裂纹;热障涂层陶瓷层中不同孔隙率对粘结层高温抗氧化性能没有明显的影响,但它有助于提高热障涂层的热震性能和隔热性能;此外,高的涂层孔隙率会导致空心粉热障涂层的结合强度低于团聚粉热障涂层。     

粘结层预处理对PS-PVD沉积7YSZ热障涂层氧化行为的影响

目的提高PS-PVD沉积7YSZ热障涂层的抗高温氧化性能。方法采用等离子喷涂-物理气相沉积(PS-PVD)分别在未预处理和预处理(抛光+预氧化)的粘结层表面制备了柱状结构7YSZ热障涂层,并在大气环境下测试了柱状结构7YSZ热障涂层的950℃静态高温氧化性能。利用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、能谱仪对高温氧化过程中的陶瓷层/粘结层界面形貌、TGO层结构演变进行表征。结果粘结层的抛光处理能够降低表面几何受力不均匀部位,抑制陶瓷层/TGO/粘结层界面处微裂纹的产生,同时粘结层的预氧化处理形成的薄而连续的TGO层能有效降低TGO的生长速度,抑制陶瓷层-粘结层之间的元素互扩散。柱状结构7YSZ涂层的高温氧化动力学曲线符合Wagner抛物线规律,粘结层未预处理和预处理的7YSZ热障涂层的氧化速率常数分别为0.101×10~(-12) cm~2/s和0.115×10~(-13) cm~2/s。结论粘结层预处理能有效改善等离子物理气相沉积7YSZ热障涂层的抗氧化性能。     

粘结层真空退火处理对热障涂层热循环寿命的影响研究

目的研究粘结层真空退火处理对热障涂层热循环条件下服役性能的影响。方法在某二代镍基单晶高温合金上涂覆铂铝粘结层,然后采用电子束物理气相沉积法沉积氧化钇稳定的氧化锆陶瓷层,构建热障涂层体系,在1100℃下可自动升降的循环氧化炉中进行热循环测试,通过高精度电子天平对涂层样品进行称量并绘制质量变化曲线,采用拍摄宏观照片的方式观察样品表面陶瓷层剥落情况,利用扫描电子显微镜观察沉积态及热循环后的样品截面微观组织结构形貌。结果与沉积态粘结层相比,在高真空中进行退火处理后,热障涂层的热循环寿命几乎增加一倍,且陶瓷层与热生长氧化膜结合良好。未经过真空处理的铂铝涂层表面陶瓷层发生明显剥落,且热生长氧化膜质量较差,出现了明显裂纹。结论真空退火处理可使铂铝涂层表面更加平整,在高温氧化过程中生成的低缺陷氧化膜有更好的质量,陶瓷层与粘结层的结合力更强,热障涂层体系的服役性能和寿命得到有效提升。     

等离子喷涂Mo/8YSZ功能梯度热障涂层结构优化与热力耦合模拟计算

目的研究不同结构参数对Mo/8YSZ热障涂层系统残余应力的影响因素。方法设计Mo/8YSZ功能梯度热障涂层,并利用ANSYS有限元软件建立了等离子喷涂Mo/8YSZ功能梯度热障涂层的数值模型,模型中考虑了材料热物理性能参数随温度变化,研究粘结层、过渡层及陶瓷层厚度对Mo/8YSZ功能梯度热障涂层残余应力的影响规律。结果随着径向距离的增大,粘结层与陶瓷层界面的残余应力逐渐由压应力变为拉应力,并且在涂层边缘位置,径向残余拉应力达到最大值。在0~12 mm路径范围内的同一位置,伴随着陶瓷层厚度的增加,粘结层与陶瓷层界面位置的轴向残余应力无明显变化,且轴向残余应力的数值几乎为0;在6~12.5 mm路径范围内的同一位置,伴随着陶瓷层厚度的增加,其剪切残余应力逐渐增大。在基体与粘结层界面边缘0.5 mm处存在着与其他位置相比更大的应力突变。粘结层与陶瓷层的厚度参数比控制在4∶10~4∶13时,涂层具有最低的热失配。过渡层与陶瓷层的厚度参数比控制在1∶4时,涂层具有最低的热失配。当功能梯度热障涂层的过渡层采用50%Mo与50%8YSZ复合而成时,将粘结层、过渡层及陶瓷层三者的厚度比值控制在16∶10∶40~16∶13∶52,涂层具有最低的热失配。结论通过设计功能梯度热障涂层,并合理调控热障涂层系统的结构参数,可进一步减小喷涂构件的残余应力和应力突变情况,提升基体与涂层的结合强度。     

等离子喷涂纳米结构Al2O3＋13％TiO2涂层的热震失效机理

研究了纳米结构Al2O3+13%TiO2(AT13)陶瓷涂层的微观组织,并对其进行热震试验,分析涂层热震前后组织结构的变化,并结合交流阻抗法研究了涂层的热震失效机理.结果表明,陶瓷涂层存在1.02%的通孔,热震过程中氧穿越通孔,使粘结层/陶瓷层界面生成一层氧化物.粘结层/基底界面的氧化物主要为疏松的氧化铝,随着热震次数增多,氧化物层厚度增大.纳米结构AT13陶瓷涂层热震失效发生在粘结层/陶瓷层界面.     

高温拉压环境下DZ125高温合金的热障涂层失效

采用电子束物理气相沉积法（EB-PVD）在定向凝固Ni基高温合金DZ125基体上制备了NiCoCrAlY粘结层和YSZ陶瓷层，研究了高温拉压环境下热障涂层的失效模式，并对其进行了有限元分析。实验结果表明，热障涂层的失效与仅受热载荷作用下的有很大不同，仅有热载荷作用下的热障涂层裂纹多萌生于热氧化层（TGO）内部，进而扩展引起热障涂层的失效。而高温拉压试验后热障涂层体系存在两种裂纹，分别萌生于TGO／粘结层界面和粘结层／扩散层界面附近。有限元模拟结果显示TGO／陶瓷层和TGO／粘结层处存在应力状态的转变和应力值的突变，径向应力的突变导致了界面分离现象的产生，而轴向应力的突变加速了垂直于界面裂纹的扩展，并导致了试样的最终断裂。     

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。     

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。     

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.     

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.     

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.     

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...     

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。     

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。     

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.     

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。