EB-PVD热障涂层热循环过程中粘结层的氧化和相结构

采用磁控溅射方法在镍基单晶高温合金基体上沉积Ni-30Cr-12Al-0.3Y（质量分数，％）粘结层，采用电子束物理气相沉积方法（EB－VPD）沉积7％Y2O3（质量分数）－ZrO2陶瓷顶层，结果表明，在热循环过程中，非平衡相t′-ZrO2中的Y2O3含量逐渐减少，t′－ZrO2相逐渐分解成平衡相t-ZrO2（冷却时变转变成斜相）和立方组ZrO2,1050℃循环200次，粘结层氧化物（Al2O3)厚度约为3μm，表明Ni-Cr-Al-Y达宜作粘结层，继续热循环，陶瓷层中出现单斜阳，粘结层中Al贫化，氧化层中出现NiO及尖晶石等，引起应力集中，导致涂层失效。     

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。     

真空热处理对镍基单晶高温合金溅射NiCrAlY涂层抗氧化性能的影响

用磁控溅射法在镍基单晶高温合金基体上沉积NiCrAlY涂层，研究了真空热处理对涂层组织结构及抗氧化性能的影响。结果表明，溅射NiCrAlY涂层主要由γ－Ni和β－NiAl两相组成，元素分布均匀；经真空热处理后，涂层主要由γ‘－Ni3Al、β－NiAl相和极少量的α－Al2O3相组成，元素分布变得不均匀，最外层富Al贫Cr。真空热处理可使溅射NiCrAlY涂层表面较早生成保护性能良好的α－Al2O3.1000℃氧化200h，溅射涂层氧化膜有较大部分已经剥落，但真空热处理涂层的氧化膜仍较好地粘附在涂层基体上。真空热处理使溅射NiCrAlY涂层表面生成的氧化膜粘附性更好，提高了溅射NiCrAlY涂层的抗氧化性能。     

电子束物理气相沉积热障涂层的高温氧化行为

采用电子束物理气相沉积（EB-PVD）在Ni-Cr-Al-Y粘结层上沉积Y2O3部分稳定的ZrO2陶瓷层（YSZ），进行了900，1000，1100℃的恒温氧化和1050℃的循环氧化实验，用扫描电镜（SEM），能谱（EDS）和X射线衍射（XRD）对样品进行观察分析，结果表明，恒温氧化最初20h，1100℃的增重比900℃和1000℃的都要小，热循环过程中产生的热应力和氧化物生长应力等导致粘结层氧化物（TGO）/NiCrAlY粘结层界面开裂，引起EB-PVD热障涂层失效。     

NiCrAlY涂层对镍基单晶高温合金氧化性能的影响

采用磁控溅射方法在镍基单晶高温合金基体上沉积NiCrAlY微晶涂层.用热重分析(TGA)、X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)等手段研究了镍基单晶高温合金及其NiCrAlY微晶涂层在900～1100℃静止空气中的氧化行为.结果表明,镍基单晶合金及其微晶涂层在900℃表现出相同的增重规律,即经初期快速增重后,两者的氧化增重都变得非常平缓;在1000℃,单晶合金的氧化膜不断剥落,使动力学曲线上下起伏,而微晶涂层经初期快速增重后,动力学曲线趋于平缓;在1100℃,单晶合金由于氧化增重远大于氧化膜剥落所造成的失重,使氧化动力学曲线在整个氧化过程中都呈迅速增长趋势,而微晶涂层的氧化动力学基本符合抛物线规律.单晶合金表面形成含Al2O3、Cr2O3、NiO、CrTaO4和Ni(Al,Cr)2O4尖晶石等的复合氧化膜.施加NiCrAlY微晶涂层后,镍基单晶合金表面形成连续、致密且结合良好的单一氧化物Al2O3,使合金的抗氧化性能明显提高.     

EB-PVD 热障涂层的热循环失效机理

采用电子束物理气相沉积方法(EB—PVD)在NiCrAlY粘结层上沉积Y2O3部分稳定的ZrO2陶瓷层。对样品进行了1050C的热循环实验。结果表明，沉积态陶瓷层表面比较致密．其柱状晶粒簇拥成团，晶粒簇间存在间隙。随着热循环不断进行，陶瓷层表面变得疏松，晶粒簇间距增大，相邻较大的间隙互相连接成微裂纹。并逐渐横向及纵向扩展。1050C循环200次，粘结层氧化物是均匀连续的—薄层，主要由Al2O3组成；循环300次后,出现了NiO、尖晶石等氧化物。根据显微结构观察和EDS、XRD分析结果，提出了EB—PVD热障涂层热循环的失效机理。     

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。     

热障涂层的研究进展与发展趋势

热障涂层一般由金属粘结层和具有低热导率的陶瓷顶层组成,应用于涡轮发动机的热端部件可显著提高其使用温度,延长部件的使用寿命,提高发动机的效率.综述了热障涂层的成分选择、制备方法及等离子喷涂和电子束物理气相沉积2种热障涂层的典型结构,分析了热障涂层的剥落失效机理,并简单介绍了热障涂层的寿命预测模型和隔热特性的研究.     

单晶高温合金热障涂层的循环氧化行为

在Ni基单晶高温合金基体上，采用磁控溅射沉积Ni30Cr12Al0.3Y粘结层，电子束物理气相沉积（EB－PVD）氧化锆陶瓷面层，制备了热障涂层。粘结层的晶粒尺寸小于100nm，为纳米结构，具有优异的抗氧化性能；陶瓷面层为柱状结构，有较好的应变允许度。XRD分析表明，沉积态的陶瓷层存在大量的非平衡正方相（t′），还有少量的立方相（c)和单斜相（m),t′相在冷却时不会转变为m，对陶瓷的高温稳定性有重要的作用。在1050℃下，对单晶合金基体和热障涂层进行了循环氧化实验。结果表明，单晶合金经过几次循环后氧化膜发生剥落，100次循环氧化后，表面氧化物主要由NiO和少量的Al2O3以及由于Kirkendell效应造成的孔洞组成；而热障涂层经过100次循环后，表面没有剥落，但有微裂纹出现，粘结层与陶瓷层之间的热氧化产物（TGO）为Al2O3。300次循环氧化后，TGO与粘结层之间有裂纹产生。     

热障涂层的性能评价

热障涂层用于涡轮发动机的热端部件可显著提高其使用温度，延长部件的使用寿命，并提高发动机的效率。文中对热障涂层的力学性能、抗氧化和抗热腐蚀、抗磨蚀和热学特性等性能的评价及性能判断与分析进行了综合回顾。