LaMeAl11O19/YSZ热障涂层热力学性能和热循环寿命

LaMeAl₁₁O₁₉陶瓷具有独特的晶体结构, 优异的热力学性能, 低热导率, 高温相稳定性等特点, 是一类非常有应用前景的热障涂层(TBC)材料。本研究通过大气等离子喷涂(APS)制备了LaMeAl₁₁O₁₉/YSZ (Me=Mg, Cu, Zn)双陶瓷层热障涂层。通过对涂层进行火焰热循环测试并结合扫描电子显微镜、X射线衍射仪等分析技术对涂层进行失效分析。结果表明, LaMgAl₁₁O₁₉ (LMA)、LaZnAl₁₁O₁₉ (LZA)和LaCuAl₁₁O₁₉ (LCA)粉末在等离子喷涂过程中发生了分解, 导致三种涂层中磁铅石相含量的差异, 从而影响三种涂层的热循环寿命。由于LaMeAl₁₁O₁₉层与YSZ层的热膨胀系数不匹配以及非晶相重结晶产生的体积收缩, LaMeAl₁₁O₁₉层从YSZ层上剥落。YSZ层暴露在高温下, 加速了烧结和TGO的生长, 又促进了YSZ层剥落。低温下, LaMeAl₁₁O₁₉的热导率随着Me原子序数增加而降低; 高温下, 与LMA和LZA相比, LCA涂层红外发射率最高(0.88, 600 ℃), 削弱了光子传导对热导率的贡献, 导致热导率降低, LCA在高温红外辐射涂层中具有潜在的应用价值。     

烧结硬化行为对双陶瓷层热障涂层服役寿命的影响

锆酸钆(Gd₂Zr₂O₇,GZO)在其熔点以下具有稳定的相结构,并且热导率较低,是替代氧化钇稳定氧化锆(yttria-stabilized zirconia, YSZ)成为热障涂层(thermal barrier coatings, TBCs)的陶瓷层部分的最有潜力的材料之一。但是,较低的断裂韧性制约着GZO的工程应用。为了实现GZO-TBCs的长寿命服役,制备了YSZ+GZO双陶瓷层TBCs,并通过分析涂层在高温下的结构演变规律来揭示双陶瓷涂层长寿命服役机理。结果表明,相比于单层GZO的TBCs, YSZ+GZO双陶瓷TBCs的热循环寿命提高了12倍。进一步研究GZO涂层在热循环过程中的失效行为,结果表明,GZO涂层在热循环后未发生相变,经1250和1450℃热暴露100 h后,其表观孔隙率分别下降了46.0%和59.8%,硬度则分别提高了79.0%和123.8%,且在热暴露初期变化较快,后期渐渐减缓。观察发现,GZO涂层在高温热暴露过程中层内纵向裂纹、层间未结合区域和球状孔隙等微观缺陷的逐渐愈合,导致涂层致密度提高、...     

热循环条件下NiCrAlYSi/YSZ热障涂层层间损伤及元素扩散行为研究

采用真空电弧镀设备制备热障涂层(TBCs)中的NiCrAlYSi金属粘结层,采用电子束物理气相沉积工艺(EB-PVD)制备YSZ陶瓷层,利用带能谱仪的扫描电子显微镜对沉积态和热循环损伤后的热障涂层试样的形貌、组织结构以及元素成分进行分析,研究热障涂层从热循环初期到失效的过程中层间损伤及元素扩散行为.结果表明,随着热循环...     

一种新型CMAS耦合条件下热障涂层热循环实验方法

提出一种高温度梯度、燃气加热和CMAS(CaO-MgO-Al2O3-SiO2)沉积条件下热障涂层热循环实验方法,并对1200℃下CMAS沉积物对等离子喷涂热障涂层过早失效的影响因素进行讨论和分析。结果表明:无CMAS耦合条件下,热障涂层热循环寿命为573次;CMAS耦合条件下,热障涂层热循环寿命降低至70次。CMAS渗入会导致陶瓷层表层产生致密层和横向微裂纹增多。CMAS耦合条件下,热障涂层的失效以陶瓷层逐层剥离为主。     

燃气热循环下7YSZ热障涂层的微结构演变与阻抗谱特征

在1250℃燃气热循环条件下,测试热障涂层抗冷热冲击性能,以模拟发动机叶片的启动升温与关闭降温循环过程。采用电化学阻抗谱测试和扫描电镜(SEM)系统研究热循环过程中热生长氧化物(TGO)生长与YSZ陶瓷层微结构演变。结果表明:随着热循环次数增加,热障涂层内TGO不断生长变厚,在中频阶段的阻抗谱响应越来越显著。YSZ陶瓷层内部经历了微裂纹的萌生与扩展两个阶段。经过100次热循环后的YSZ层表现出与喷涂态涂层相似的阻抗特征,表明高温下烧结会使YSZ层产生的微裂纹在短时间内愈合。但经过300次热循环后的YSZ层表现出与喷涂态完全不同的阻抗谱,并随热循环次数增加,YSZ颗粒间隙阻抗值不断增加,表明YSZ内层产生了不可愈合的微裂纹,是导致YSZ层最终失效的主要因素。     

CMAS环境下电子束物理气相沉积热障涂层的热循环行为及失效机制

航空发动机涡轮叶片工作时表面经常产生CaO-MgO-Al₂O₃-SiO₂(简称CMAS)等沉积物。本文中研究了电子束物理气相沉积(EB-PVD)制备ZrO₂热障涂层(TBCs)在CMAS环境下的热循环行为及失效机制。结果表明, 在1200℃热冲击条件下, 表面涂覆CMAS的热障涂层的热循环寿命低于100次, 而未涂覆CMAS的涂层寿命达到500次以上, CMAS 的存在加速了热障涂层的剥落失效。在1200℃经过210次循环后, ZrO₂陶瓷层与CMAS之间形成了约8 μm厚的互反应区, 其形成主要与CMAS中Ca²⁺内扩散有关。CMAS环境下热障涂层陶瓷层产生大量横向裂纹, 涂层的失效主要以陶瓷层片状剥落为主。     

粘结层喷涂方法对铜基体与热障涂层结合强度的影响

为提高铜基体上热障涂层的工作温度和寿命,分别采用超音速火焰喷涂(HVOF)和等离子喷涂(APS)制备NiCrAlY粘结层,采用等离子喷涂制备ZrO2-8%Y2O3陶瓷面层.用拉伸试验测试了热障涂层的结合强度,利用SEM分析了拉伸断口的成分分布和微观形貌.研究表明,用HVOF制备粘结层的热障涂层的结合强度为47.9 MPa,用APS制备粘结层的热障涂层的结合强度为31.2 MPa.与等离子喷涂制备粘结层相比,采用超音速火焰喷涂制备粘结层可明显提高ZrO2陶瓷涂层的结合强度.     

热障涂层陶瓷材料的研究现状及发展趋势

热障涂层陶瓷材料的研究是开发适用于下一代高性能航空涡轮发动机热障涂层体系的关键,也是未来热障涂层技术发展的重要方向之一.可用作热障涂层陶瓷材料的主要有用Al2O3、Y2O3等稳定剂稳定的ZrO2、稀土锆酸盐和一些具有钙钛矿结构的氧化物(石榴石、独居石以及LaMgAl11O19等),综述了上述热障涂层陶瓷材料的热物性能和力学性能,对其研究现状及发展趋势进行了分析和探讨.     

EB-PVD制备热障涂层的反射光谱特性研究

为了研究航空发动机中涡轮叶片表面的热障涂层对辐射光谱的反射特性,本文使用真空电弧镀法在不锈钢基体上分别制备了NiCrAlYSi和NiCoCrAlYHf两种热障涂层的粘结层,并随后使用电子束物理气相沉积(EB-PVD)法制备了ZrO_2·Y_2O_3(YSZ)热障涂层的陶瓷面层,最后利用紫外-可见-近红外分光光度计测定了常温下热障涂层在0.3μm～2.5μm波段的反射率光谱并进行了分析研究。结果表明:金属粘结层和陶瓷面层厚度均相同时,不同的粘结层材料对热障涂层的光谱反射率影响不大,整个波段内NiCrAlYSi/YSZ和NiCoCrAlYHf/YSZ涂层的光谱反射率接近。当粘结层NiCrAlYSi的厚度相同,面层YSZ的厚度分别为20μm、100μm、170μm三种不同厚度时,热障涂层的光谱反射率表现出不同的特性,在0.3μm～0.45μm波段,厚度为20μm的YSZ的试样因表面呈蓝紫色反射紫光能力最强,而灰白色的其他两个试样反射紫光能力接近;在0.45μm～2.5μm波段,YSZ涂层厚度与光谱反射率正相关,涂层厚度越厚光谱反射率越高。通过调整电子束物理气相沉积工艺制备了YSZ微叠层,与相同厚度的传统柱状晶的YSZ相比,YSZ微叠层的光谱反射率提高了约一倍。     

热障涂层寿命的计算机优化方法

作为进行热障涂层结构设计和制备参数设计的准备,本文在热障涂层寿命预测系统(本实验室研发)的基础上,研究开发了热障涂层寿命优化平台,对热障涂层的结构参数和制备参数进行了优化.制备参数主要包括热障涂层预氧化时间和粘结层粗糙度,热障涂层的结构参数包括了陶瓷层模量、陶瓷层厚度和粘结层厚度.     

TiAl合金表面TiAlCrY/YSZ涂层高温长时间服役性能

TiAl合金具有低密度、高比强度的优异性能,是一种潜在的航空发动机用结构材料。TiAl合金的服役温度范围为700～900℃,在其表面制备高温热防护涂层可以进一步提高服役温度。本研究采用等离子喷涂技术在TiAl合金表面制备了新型TiAlCrY/YSZ涂层,并与传统的NiCrAlY/YSZ热障涂层进行高温长时间服役性能对比研究。结果发现, TiAlCrY/YSZ涂层在1100℃空气环境中服役300 h保持完好,表现出良好的高温性能,而NiCrAlY/YSZ涂层在1100℃的服役寿命不足100 h。显微分析结果表明, TiAlCrY黏结层表面会形成一层连续且致密的TGO,其主要成分为Al2O3,与YSZ涂层的界面兼容性良好。并且TGO在1100℃空气环境中服役300 h后,厚度仍<8μm。以上研究表明,与传统NiCrAlY/YSZ热障涂层相比, TiAlCrY/YSZ更适合作为TiAl合金表面的高温热防护涂层。     

稀土锆酸盐热障涂层的相稳定性和界面结合性能研究

采用电子束物理气相沉积(EB-PVD)工艺制备了La2Zr2O7(LZ)、La2Zr2O7-3wt.％Y2O3(LZ3Y)、La2(Zr0.7Ce0.3)2O7(LZ7C3)和6～8wt.％Y2O3部分稳定化的ZrO2(YSZ)四种陶瓷涂层,研究了稀土锆酸盐和YSZ热障涂层的高温相稳定性、涂层结合性能和热循环行为.借助...     

镀铝表面改性7YSZ纳米热障涂层热震性能分

为提高7YSZ纳米热障涂层的热震性能, 实验中采用超音速火焰喷涂(HVOF)在涡轮叶片模拟工件上制备了粘结层NiCrCrAlYTa, 再使用大气等离子喷涂(APS)在粘结层上制备了7YSZ纳米陶瓷层。采用磁控溅射在7YSZ热障涂层样品表面镀铝, 并在不同压力下(200、250、300 Pa)对镀铝样品进行热处理表面改性。对喷涂态样品和镀铝改性后样品进行水淬热震实验, 1050℃保温10 min+水冷5 min为一个热循环, 观察热障涂层镀铝改性前后样品在水淬热循环过程中形貌和结构演变。实验结果表明, 镀铝改性后样品表面存在铝薄膜蒸发、凝固后形成的疏松纳米Al晶粒表层以及由Al和ZrO₂原位反应形成的致密α-Al₂O₃底层。在镀铝样品热处理过程中, 随着压力升高, 疏松层致密度逐渐增加。不同热处理压力下镀铝表面改性后样品经过73次水淬热循环后剥落面积均小于喷涂态样品, 显示出良好的抗热震性。     

热喷涂复合结构MCrAlY/8YSZ热障涂层的抗剥落能力

在陶瓷涂层与金属粘接层之间制备一层NiCoCrAlTaY/YSZ复合过渡层和通过半熔化团聚YSZ粉末制备层状/多孔团状复合结构YSZ隔热层,用SEM表征了涂层的显微组织;依照ASTM C633标准测试了涂层的结合强度;用压痕法测试了陶瓷层的弹性模量和断裂韧性.用激光脉冲法测试了陶瓷层的热导率.用高温水淬快速冷却实验验证...     

热循环作用下圆筒基体热障涂层的失效过程分析

用等离子喷涂的方法在高温合金圆筒上制备热障涂层,通过红外线辐照圆筒外部对试件进行加热以及内部通冷却空气强制冷却的方法对热障涂层系统进行了热循环失效试验。利用有限元工具ABAQUS对热障涂层系统中的瞬时温度场与应力场进行了计算以分析热障涂层的失效原因。计算结果表明,试样处于稳态最高温度时以及降温过程开始的很短时间内,陶瓷层中出现较大的周向拉应力,该应力将导致热障涂层出现表面垂直裂纹;陶瓷层与粘接层界面的径向应力不足以引起界面的开裂,界面的起裂来源于垂直裂纹出现后所带来的边缘效应。     

陶瓷层与界面孔隙率对热障涂层寿命及其失效机制的影响

以NiCoCrAlY作为粘结层、8wt%Y₂O₃稳定的ZrO₂（8YSZ）为陶瓷层,利用等离子喷涂（PS）技术制备2种在陶瓷层及陶瓷层/粘结层界面处具有不同孔隙率的热障涂层（TBCs）,研究TBCs的热循环寿命差异,分析不同孔隙率TBCs的失效机制。结合有限元模拟计算了TBCs应力分布,分析了高孔隙率TBCs中重复平行裂纹形成的原因及2种TBCs剥落的失效模式。利用光学显微镜（OM）、SEM和EDX分析TBCs的断面微观结构及元素分布。结果显示:高孔隙率TBCs比致密TBCs的寿命增加了1倍。高孔隙率TBCs在陶瓷层及界面处存在更多的孔隙和微裂纹,释放了TBCs中积累的应变能,同时氧化铝层中出现的重复平行裂纹能进一步减小了陶瓷层与粘结层之间的应力,进而延长了高孔隙率TBCs的寿命。为制备长寿命TBCs奠定结构设计基础。      

镀铝表面改性7YSZ纳米热障涂层热震性能分析

为提高7YSZ纳米热障涂层的热震性能,实验中采用超音速火焰喷涂(HVOF)在涡轮叶片模拟工件上制备了粘结层NiCrCrAlYTa,再使用大气等离子喷涂(APS)在粘结层上制备了7YSZ纳米陶瓷层。采用磁控溅射在7YSZ热障涂层样品表面镀铝,并在不同压力下(200、250、300 Pa)对镀铝样品进行热处理表面改性。对喷涂态样品和镀铝改性后样品进行水淬热震实验,1050℃保温10 min+水冷5 min为一个热循环,观察热障涂层镀铝改性前后样品在水淬热循环过程中形貌和结构演变。实验结果表明,镀铝改性后样品表面存在铝薄膜蒸发、凝固后形成的疏松纳米Al晶粒表层以及由Al和ZrO_2原位反应形成的致密α-Al_2O_3底层。在镀铝样品热处理过程中,随着压力升高,疏松层致密度逐渐增加。不同热处理压力下镀铝表面改性后样品经过73次水淬热循环后剥落面积均小于喷涂态样品,显示出良好的抗热震性。     

新型热障涂层材料镁基六铝酸镧喷涂粉末的制备

研究了新型热障涂层材料镁基六铝酸镧(LaMgAl11O19),并制备了可应用于大气等离子喷涂的镁基六铝酸镧喷涂粉末.用差热分析技术研究了镁基六铝酸镧的生成温度,用XRD分析了不同温度下反应产物的相结构,用SEM观察了烧结前后喷雾干燥粉末的形貌,并对镁基六铝酸镧粉末进行了1300℃下50h的时效实验.结果表明:混合粉末中LaM-gAl11O19相的生成量取决于保温温度和保温时间两方面;LaMgAl11O19相的实际开始生成温度在1200～1300℃之间,结束生成温度在1553.5℃;随着保温温度的升高,LaMgAl11O19相的生成效率有所提高;在1570℃保温2h,可得单一相成分的近球形镁基六铝酸镧喷涂粉末;镁基六铝酸镧收缩率约为2.8%,经过时效处理的粉末中LaMgAl11O19相的峰值显示了比没有经过时效处理的粉末更高的强度.     

高炉风口上超音速火焰喷涂金属-陶瓷梯度层的可行性

在高炉风口表面制备一层适宜的金属-陶瓷梯度热障涂层,是提高风口寿命的一种有效的方法.本文旨在验证在风口上制备金属-陶瓷梯度保护层,提高高炉风口寿命的可行性.通过大型的有限元仿真软件AN-SYS,模拟分析了在紫铜表面喷涂陶瓷热障层的隔热效果,并且探讨了HVOF涂层的性能.结果发现,仅仅0.4 mm厚的ZrO2涂层就可以使铜基体温降200℃左右,而且超音速火焰喷涂打底的金属-陶瓷涂层的抗氧化性、热震性优于其他喷涂方法,这表示能够从材料和工艺两方面解决风口喷涂陶瓷层易脱落的问题.证明了在风口上喷涂金属-陶瓷梯度热障涂层的可行性以及利用HVOF打底层制备金属-陶瓷热障层的优势.     

悬浮液等离子喷涂热障涂层的沉积机制及热循环特性

悬浮液等离子喷涂(SPS)较大气等离子喷涂(APS)具有诸多优势,目前对SPS涂层沉积机理报道较少。采用6%~8%Y2O3-ZrO2(YSZ)悬浮液送料进行等离子喷涂制备热障涂层,利用激光粒度仪测试悬浮液中的YSZ粒度,采用扫描电镜(SEM)、光学显微镜观察雾化粒子形貌和涂层的显微组织,探讨涂层的热循环特性并分析其沉积机制。结果表明:悬浮液中93.38%的YSZ粒子尺寸在3.311μm以下;等离子火焰中雾化的YSZ粒子主要有熔融致密的小球状、未完全熔融的疏松球状和未熔融的原始无定形3种形态;喷涂时,小球状粒子撞击基体表面后主要形成直径3~7μm的致密扁平粒子,未完全熔融的疏松球状和无定形态粒子撞击基体时铺展不明显,粒子堆积时容易形成孔隙;粘结层与陶瓷层间横向裂纹的萌生扩展导致热障涂层最终脱落失效。