纳米及传统微米级热障涂层热循环过程中的组织演变研究

本文以超音速等离子喷涂方法沉积NiCoCrAlY金属粘结层,以普通大气等离子喷涂沉积纳米及微米级YSZ两种陶瓷表层,并对涂层进行热循环实验,对比研究不同结构热障涂层在热循环条件下的组织演变规律。结果表明：由于纳米团聚粉体的不充分熔化导致纳米涂层中存在较多的微裂纹和孔隙,微米、及纳米涂层的孔隙率分别为10%及15%,载荷300g下的显微硬度分别为776.1及606.9。两种结构的热障涂层在热循环过程中均出现了网状裂纹,但随着热循环次数的增加,这些微裂纹不断连接扩展,裂纹宽度不断增加,并且与纳米涂层相比,微米涂层裂纹的扩展和拓宽速度相对较快。纳米涂层由于孔隙率较高,热生长氧化物（TGO）生长速度较快,TGO的快速生长导致陶瓷层/金属粘接层界面的应力增大,使得横向裂纹（平行于陶瓷层/金属粘接层界面）萌生及扩展并引起涂层的剥落失效。     

液相等离子喷涂涂层研究进展

悬浮液等离子喷涂(SPS)和溶液前驱体等离子喷涂(SPPS)采用悬浮液或溶液前驱体替代传统等离子喷涂中的粉末材料,可制备出由大量细小粒子组成的具有纳米结构及独特性能的涂层,近年来,引起了广泛关注。本文以SPS和SPPS涂层应用方向为线索,介绍了SPS和SPPS涂层研究进展,并与传统等离子喷涂制备的涂层性能进行对比,展示了SPS和SPPS涂层的优点和应用价值。     

溶液前驱体等离子喷涂热障涂层结构研究

以锆盐和钇盐水溶液为原料,采用常规等离子喷涂工艺和超音速等离子喷涂工艺制备出了均有垂直裂纹结构的SPPS热障涂层,利用扫描电镜(SEM)、显微硬度计和实验电阻炉,研究了SPPS涂层的微观结构、显微硬度及其高温热循环性能。结果表明:相比于常规等离子喷涂,超音速等离子喷涂工艺具有更高的能量和粒子飞行速度,在相同送料速率下,喷涂距离为50mm时SPPS涂层沉积速率为前者在喷涂距离为30mm时的2.3倍,SPPS涂层沉积致密度和显微硬度也高于前者,喷涂距离对SPPS涂层微观结构影响也相对较小,采用超声速等离子喷涂可在更大工艺范围内制备出性能较好的SPPS涂层。采用常规等离子喷涂工艺和超音速等离子喷涂工艺制备的SPPS涂层分别在1100℃下热循环1270h和970h后涂层完整。     

溶液前驱体等离子喷涂制备新型结构热障涂层研究

溶液前驱体等离子喷涂(SPPS)是将雾化的溶液前驱体注入等离子焰流制备陶瓷涂层的新工艺,采用该工艺可以制备出具有新型结构的热障涂层。利用XRD和SEM分析了涂层相结构和微观结构。研究结果表明:采用SPPS制备的7YSZ涂层为亚稳四方相结构,涂层具有无层间界面、孔隙均匀分布和穿透整个涂层厚度的垂直裂纹等特征。未分解溶液前驱体在基体或涂层中进一步分解产生的拉应力是在TBCs中产生垂直裂纹的关键因素。     

纳米YSZ热障涂层制备工艺及涂层环境试验研究

以结合强度为衡量指标,由L9（34）试验确立了等离子喷涂纳米YSZ制备热障涂层的最佳工艺参数。采用SEM对涂层微观组织结构及涂层相关性能进行了研究分析。结果表明,经优化工艺参数喷涂制备的YSZ热障涂层结合强度可达38.26MPa,厚度为0.37mm的该涂层在600℃时的隔热温度达到70℃,且该涂层具有良好的环境适应性。     

溶剂类型对液相等离子喷涂涂层性能影响

溶液前驱体等离子喷涂(SPPS)和悬浮液等离子喷涂(SPS)采用溶液前驱体或悬浮液替代传统大气等离子喷涂中的喷涂粉末,可制备出由大量细小粒子组成的具有纳米结构及独特性能的涂层。本文以溶液前驱体和悬浮液的溶剂类型为线索,介绍了采用SPPS和SPS技术制备YSZ、Al2O3、Ti O2涂层的研究进展。     

纳米锆酸镧团聚体特性及等离子涂层性能的研究

采用喷雾干燥法制备了纳米锆酸镧团聚体粉末,采用大气等离子喷涂制备了纳米锆酸镧涂层,并用扫描电镜和XRD对涂层的微观组织结构进行了研究。结果表明:喷雾干燥法制备的纳米La_2Zr_2O_7团聚体,粒度接近正态分布,流动性好,松装密度较大。采用大气等离子喷涂制备纳米锆酸镧涂层中存在一定量的孔隙和微裂纹,利于隔热。纳米锆酸镧热障涂层在1473K烧蚀8h后的相结构稳定。     

用于瓦楞辊防护的WC-12Co涂层组织和性能研究

采用团聚烧结法制备了一种含有纳米粒子的新型瓦楞辊专用WC-12Co喷涂粉末,并使用超音速火焰喷涂工艺（HVOF）制备了该粉末的两种涂层。测试了涂层的结合强度、显微硬度、气孔率、开裂韧性和单道次沉积厚度。并利用XRD对喷涂粉末及涂层进行了相结构分析,用扫描电子显微镜和金相显微镜对喷涂粉末、涂层的组织结构进行了观察,并与进...     

柱状晶对等离子YSZ涂层性能的影响

本文选用微米级YSZ粉末和纳米级YSZ粉末喂料,采用等离子喷涂技术制备了两种YSZ涂层,并通过扫描电镜(SEM)对涂层的微观组织和结构进行了研究。结果表明:微米级YSZ粉末制备涂层内部柱状晶的尺寸较短,长度在1～3μm之间;纳米级YSZ粉末制备涂层内部柱状晶的尺寸较长,长度在8～12μm之间;这种组织结构特征的差异是导致YSZ涂层结合强度和热震性能不同的主要原因。     

三阳极等离子喷涂纳米氧化锆涂层工艺研究

本文采用国产纳米ZrO2-7％Y2O3粉体,通过三阳极等离子喷涂系统（Delta）制备热障涂层,对工艺参数和涂层性能之间的关系进行了研究.根据所采用的L934正交试验设计,对工艺参数,孔隙率以及结合强度之间的关系进行统计学分析,结果表明三阳极等离子喷涂系统在采用内径7mm喷嘴的情况下,由于射流速度快（约250m/s）,以及送粉速率大等因素的影响,所制备的热障涂层孔隙率为14.8％～26.2％,结合强度为13.4～30MPa.等离子弧、氢气流量和送粉速率是影响涂层性能的重要因素,喷涂距离在100～140mm之间对涂层性能影响不明显.     

PS-PVD 热障涂层显微结构对耐侵蚀性能的影响研究

采用等离子喷涂物理气相沉积 ( PS-PVD ) 技术开展了热障涂层梯度结构调控研究，通过调整喷涂送粉速率， 在底部、中间和顶部沉积阶段制备了五种不同的热障涂层，对热障涂层的显微组织、粗糙度、孔隙率、耐熔盐腐 蚀和耐粒子冲蚀性能进行表征，阐明了显微结构变化对热障涂层耐侵蚀性能的影响。研究表明：送粉速率的变化 对PS-PVD热障涂层羽柱状结构的沉积有显著的影响，低送粉速率下，涂层底部结构比较致密，当送粉速率增大时， 由于粉末颗粒在喷涂过程气化不充分，未熔粒子增加，羽柱状顶部结构趋向致密结构转变，涂层顶部孔隙率下降， 表面粗糙度降低。送粉速率由底至顶梯度递增制备的涂层表现出较高的耐熔盐腐蚀性能和耐粒子冲蚀性能。     

不同显微结构Yb2Si2O7环境障涂层的抗热震性能研究

采用低压等离子喷涂工艺(LPPS)在SiCf/SiC复合材料表面依次制备了Si底层、Mullite中间层和Yb2Si2O7面层的环境障涂层.通过不同的喷涂参数分别制备出层状结构和层柱混合结构的Yb2Si2O7面层,并考察面层结构对环境障涂层抗热震性能的影响.结果表明,所制备的两种面层涂层均具有孔隙率低、界面结合紧密的特...     

厚热障涂层的失效分析研究

厚热障涂层因具有优异的隔热效果, 在航空发动机热端部件防护上获得应用。 在高温燃气冲蚀环境中服役 后, 致密厚热障涂层呈局部块状剥落而失效。 本文对涂层失效后的截面形貌、 元素分布、 相结构等进行分析。 结 果表明, 涂层失效的主要原因是表面附着物的渗入和焰流冲蚀下致密厚热障涂层内部应力的增加。 采用高能等离 子喷涂制备具有弥散分布裂纹的厚热障涂层有望提高涂层寿命。     

连铸机拉矫辊辊面激光重熔纳米ZrO2基涂层性能

 为了提高连铸机拉矫辊的使用寿命,在H13钢表面等离子喷涂常规级和纳米级两种规格的ZrO2涂层,并对其进行激光重熔处理。利用有限元软件ABAQUS分析热障涂层对拉矫辊温度场的影响,利用激光共焦显微镜观察涂层表面和断面的组织结构,利用场发射扫描电子显微镜（SEM）测量涂层断面的元素分布,采用Gleeble-3800热模拟试验机考查涂层的抗热冲击性,结果发现,经激光重熔之后纳米级ZrO2涂层的孔隙率和微裂纹数量都明显少于常规级ZrO2涂层,并且纳米级ZrO2涂层的抗热冲击性都优于常规级涂层。     

铈锆酸镧涂层高温时效行为和热震性能研究

采用等离子喷涂制备了铈锆酸镧涂层,采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射分析(XRD)、图像分析法等研究了喷涂功率对沉积态涂层表面和截面微观结构、孔隙率等的影响规律,研究了涂层在1200℃、1300℃高温100h时效下相稳定性、微观结构、孔隙率的变化,比较了不同喷涂功率涂层的抗热震性能。研究结果表明:随着等离子喷涂功率的增加,喷涂过程中半熔融颗粒比例减小,涂层的孔隙率减小。涂层经1200℃、1300℃高温保温100 h后仍然具有单一的烧绿石结构,随着热处理温度升高,涂层孔隙率减小。研究了不同功率喷涂的涂层从1250℃到冷水中的热震行为,失效机制分析表明:陶瓷层与粘结层热应力不匹配造成陶瓷层底部产生裂纹是导致涂层失效的主要方式。     

氧化铈稳定纳米氧化锆高温性能的研究

等离子喷涂热障涂层技术广泛应用于航空发动机热端部件的高温防护。应用大气等离子喷涂法成功制备了纳米氧化铈氧化钇稳定的氧化锆(CYSZ)涂层,并与常规氧化钇稳定氧化锆(YSZ)涂层在1300℃下热处理10小时,研究高温对两种涂层性能的影响,与常规的YSZ涂层相比,CeO2的掺杂使涂层具有更高的稳定性。经过高温处理,CYSZ涂层的相结构没有发生明显变化。显微形貌结果表明,CYSZ涂层没有产生裂纹缺陷,涂层中纳米区域晶粒度随着温度的升高略有增大,这表明了纳米结构的CYSZ涂层具有更优异的高温稳定性。热循环氧化实验结果证明,CYSZ涂层具有更长的热循环寿命以及优异的高温抗氧化性能。     

Microstructure and thermal cycling behavior of nanostructured yttria partially stabilized zirconia (YSZ) thermal barrier coatings

Nanostructured yttria partially stabilized zirconia(YSZ) coatings were prepared by atmospheric plasma spraying(APS) using the conglomeration made by zirconia nanoparticle as the raw materials.The measurement methods,which consisted of scanning electron microscopy(SEM),transmission electron microscopy(TEM) and thermal cycling behavior,were used to character the morphology,composition and thermal oxidation behavior of the powder and the coatings.From the results,it was shown that the YSZ coating was the laminar structure,and the elements distribution in the bond and top coat were well-proportioned.The YSZ coatings were composed of fine grains with size ranging from 30 to 110 nm.The laminar layers with columnar grains were surrounded with unmelted parts of the nanostructured powder and some equiaxed grains.In the as-sprayed nanostructured zirconia coatings,there existed pores that were less than 1 μm.The cracks were observed on some of the crystal border.The cyclic oxidation experiment showed that the nanostructured coating had longer thermal cycling lifetime to exhibit the promising thermal cyclic oxidation resistance.The failure of the nanostructured TBC was similar to the failure of conventional APS TBC.     

等离子喷涂准晶热障涂层研究

采用等离子喷涂法制备了AlCuCoSi准晶涂层,并对其进行了结合强度、抗热冲击性能及热扩散率的测试,通过金相显微镜、X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)等方法研究了涂层截面的形貌和结构。结果表明,采用等离子喷涂可以得到具有十面体准晶相的AlCuCoSi准晶涂层,其结合强度可达30MPa;经过100次400℃至室温的水淬热冲击后,涂层未脱落,具有良好的抗热冲击性能;喷涂后没有杂相生成;在600℃时,涂层的热扩散系数仍很低,可以作为热障涂层使用。     

热喷涂技术应用及研究进展与挑战

热喷涂作为重要的表面工程技术之一,是通过在材料表面制备材料保护涂层与功能涂层,赋予基体材料没有,但服役环境所必须的表面性能的方法。由于热喷涂可以制备从超过50%孔隙缺陷含量到接近完全致密的任意材料的涂层,基于缺陷控制可满足从可磨耗、耐高温隔热、耐磨损与耐腐蚀等不同服役要求,经过100余年的发展已经形成了包括等离子喷涂、超音速火焰喷涂、电弧喷涂、普通火焰喷涂等一系列方法,已经成为在众多产业领域,包括航天航空、交通运输、石油化工、电力能源、冶金钢铁、纺织与造纸、机械制造等,提高产品寿命与竞争力不可或缺的技术。制备可以提供耐磨损、耐环境腐蚀防护、耐高温隔热防护等保护涂层是热喷涂尤为重要的应用方面,热喷涂作为可显著提升结构零件耐磨损的涂层制备方法应用非常广泛,但在动载如冲蚀、空蚀、疲劳磨损、或高应力磨料磨损条件下,涂层材料的耐磨性能尚不能完全发挥;由于涂层总是存在一定的孔隙,难以以制备态直接用作长效耐腐蚀防护涂层,适当的封孔处理成为其用作耐腐蚀涂层的必要条件;包括以燃气轮机热障涂层为代表的耐高温隔热涂层等在航空与地面重型燃机中的应用,在欧美热喷涂市场中约占比60%,随着我国燃气轮机技术的发展,该市场潜力有望逐步得到发掘。热喷涂耐磨损涂层性能的进一步提升不仅需要开发新型硬质耐磨材料以及宽温域自润滑材料,还需要结合材料开发,发展可使粒子间结合充分的涂层制备方法,其次,基于涂层结构特征与服役性能关系控制磨损服役条件,防止源于粒子间脱落的加速磨损是确保长效磨损保护的基础。如何制备在喷涂态即可满足腐蚀介质不浸渗的致密涂层依然是热喷涂耐腐蚀涂层制备需要攻克的挑战。冷喷涂、等离子喷涂、物理气相沉积、液料热喷涂等新方法近年来发展迅速,与这些方法相配套的材料制备技术的发展将是这些新方法得到广泛应用的基础。新能源、医疗、民生、半导体等对导电、催化、生物活性、绝缘、耐刻蚀等功能涂层的需求也将有力推动热喷涂技术的发展。本文将结合目前热喷涂技术在国内外的应用现状与存在的问题,展望热喷涂技术进一步发展过程中有待解决的主要挑战性技术问题,为本领域技术人员合理认识热喷涂技术的特点,直面挑战,深入开展开发与基础研究,推动技术提供参考。     

等离子喷涂纳米ZrO2热障涂层的组织及性能研究

采用大气等离子喷涂技术制备纳米ZrO2热障涂层,采用金相显微镜、X射线衍射仪、拉伸试验机等对涂层组织及性能进行了研究。结果表明,纳米ZrO2热障涂层组织均匀,面层内孔隙较小、呈近圆形,孔隙率为9.6%;涂层由t-ZrO2单相组成,其平均结合强度和平均剪切强度较传统微米ZrO2热障涂层分别提高63.5%和50.5%,分别达到46.63MPa和23.97MPa;同时涂层具有优异的抗腐蚀性能和耐湿热能力,腐蚀和湿热试验后涂层完整、表面清洁,无新相生成。