真空热处理对APS-NiCoCrAlY+APS-YSZ热障涂层热循环寿命的影响

通过大气等离子喷涂在HA188合金基材上制备NiCoCrAlY+YSZ热障涂层,然后分别对试样在高真空和低真空中进行1080℃的热处理.通过在1100℃对热处理前后的热障涂层进行热循环考核,并在具备EDS的扫描电镜下分析了热循环前后的显微组织和成分.结果表明,真空热处理显著提高了APS-NiCoCrAlY+APS-YS...     

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...     

EB-PVD工艺中粘结层厚度对热障涂层寿命的影响

采用电子束物理气相沉积技术在高温合金基体上制备不同粘结层厚度的YSZ热障涂层试样来分析粘结层厚度对热障涂层体系寿命的影响。对试样进行循环氧化试验以及热重分析来测试试样的热循环寿命和抗氧化性能。分别采用XRD、SEM和EDS对不同状态下的涂层进行相组成、微观形貌和成分组成分析。结果显示:热障涂层体系有明显的抗氧化作用,且抗氧化作用随着粘结层厚度的增加逐渐增强;粘结层的厚度对涂层体系的寿命影响显著,在特定的厚度范围内,涂层体系热循环寿命较长。综合各方面影响因素,得出本试验条件下粘结层厚度最优范围为50～70μm。     

热障涂层的三维界面形貌与热应力关系

使用等离子喷涂方法制备出双层热障涂层(粘结层为Ni-Cr-Al-Y,陶瓷层为ZrO2).使用ABAQUS有限元分析软件,采用间接耦合分析的方法,模拟计算了喷涂过程中陶瓷层/粘结层间三维结构椭圆界面的应力场分布,得出了粘结层表面三维椭球形貌单元位置和尺寸与热应力分布之间的关系.模拟结果表明,涂层制备后,椭球形貌单元位置和...     

热障涂层界面形貌尺寸与残余应力的关系

利用ANSYS有限元分析软件对热障涂层中的残余应力进行了模拟分析，得出了界面形貌尺寸与残余应力之间的关系。模拟结果表明，热障涂层中的残余应力是界面形貌尺寸的函数。这些结论为提高涂层界面结合强度的热障涂层界面造形提供了理论支持，也为热障涂层界面的优化提供了指导意见。     

粘结层表面处理对热障涂层残余应力及热冲击寿命的影响

采用真空电弧离子镀技术在二代单晶高温合金DD32表面制备NiCoCrAlYHf（HY5）金属粘结层,通过振动光饰、吹砂及振动光饰和吹砂3种不同的表面处理方法改变粘结层表面状态,利用电子束物理气相沉积（EB-PVD）技术制备氧化钇部分稳定氧化锆（7~8YSZ）陶瓷层。借助扫描电子显微镜（SEM）、电子探针（EPMA）、光激发荧光压电光谱（PLPS）等分析手段,研究1100 ℃热冲击过程中热障涂层界面结构、成分及残余应力的演变。结果表明:表面处理能够改善粘结层表面形貌,其对TGO层残余应力大小及热冲击寿命存在影响;未处理试样应力水平高于经过表面处理的热障涂层试样,并且随着热冲击次数的增加未处理试样残余应力涨幅更大;经过表面处理后试样热冲击寿命提高,其中经过振动光饰处理的试样提升最为显著;粘结层表面吹砂处理会造成砂粒进入粘结层表层某些部位,TGO层局部过度生长,造成应力集中,从而涂层寿命低于振动光饰处理试样。     

界面粗糙度对双层热障涂层残余应力影响的数值模拟

运用ANSYS有限元分析软件模拟了双层热障涂层（ZrO2/NiCrAIY）在制备过程中的温度场，在此基础上，进行热-应力耦合计算分析试样的残余应力，重点计算了不同基体表面粗糙度条件下的残余应力分布。结果表明：试样的温度分布呈不均匀变化，与实际喷涂过程相近；双层热障涂层的最大残余应力集中在粗糙界面的凸起与凹坑部分；涂层内的等效残余应力随表面粗糙度的增大整体呈增大趋势，在Rα=30μm附近时，等效残余应力较小，同时压应力较小。     

热障涂层界面形貌和尺寸对热应力的影响

为了研究航空发动机热障涂层的失效机制,以及涂层界面间的三维形貌对涂层热应力的影响,使用ABAQUS有限元分析软件,计算了陶瓷层/粘结层结合界面间6种三维凹坑和凸起形貌单元形状以及尺寸对界面主应力σyy分布的影响规律.结果表明,形貌单元对界面应力有明显的影响,凹坑形貌界面上应力为压应力,凸起应力为拉应力,在形貌最低和最高...     

耐久性柱状结构热障涂层设计

热障涂层（TBC）被广泛应用于热端金属部件表面,使其免受高温气体侵蚀,其微观组织结构及服役性能与制备工艺和服役状态密切相关并相互作用。本文从热生长氧化物（TGO）增厚、相变、烧结等方面讨论了各种应力诱因导致的TBC失效机理,综述了目前常用于陶瓷层柱状结构制备的方法及其在缓和TBC服役过程中应力的应用。由于TBC制备工艺及服役条件不尽相同,通过与标准TBC比较,评价了不同工艺下制备的TBC使用寿命,总结了柱状结构TBC的长寿命服役机理。本文综述了柱状热障涂层的应力源、微观结构、制备工艺和使用性能的相互作用关系,为高性能TBC设计提供了参考。     

表面处理对热障涂层寿命及失效机理的影响研究

采用真空电弧离子镀和电子束物理气相沉积技术在高温合金DZ125上沉积NiCrAlYSi金属粘结层和YSZ陶瓷面层。研究了抛光、振动光饰、砂纸打磨及吹砂四种不同的表面处理方法对金属粘结层表面微观结构和界面状态的影响。实验结果表明,四种表面处理方法都改善了金属粘结层表面结构,降低了表面粗糙度。进一步探讨了表面处理对涂层结合强度的作用,结果表明经过表面处理后的样品结合强度都得到了提高。并分析了不同表面处理方法对涂层寿命的影响,最终明确了热障涂层失效机理。     

GZO/8YSZ功能梯度热障涂层热冲击过程中裂纹的生长研究

目的 探究功能梯度热障涂层（FG-TBCs）的裂纹生长机制。方法 通过用户定义材料子程序,建立梯度热障涂层结构模型,并基于响应面优化的扩展有限元法（XFEM）分析TGO/TC界面幅值、热生长氧化物（TGO）厚度和纵向裂纹倾角对裂纹扩展的影响。结果 在忽略TGO层初始应力的条件下,TGO厚度与TGO/TC界面裂纹扩展长度成反比;当TGO厚度从3μm增至7μm时,径向应力下降超过300 MPa,裂纹扩展长度和损伤程度显著减小。TGO/TC界面幅值是影响裂纹扩展最关键的因素,其次为TGO厚度,纵向裂纹倾角的影响最小。裂纹扩展与界面幅值呈先减后增的抛物线关系,在界面幅值约为13.6μm时,对裂纹扩展的影响最小。裂纹扩展主要发生在首次热冲击的加热阶段,此时驱动力主要来源于显著温差引起的热应力,在后续热循环中裂纹扩展和损伤依赖于应力的累积效应。结论 所建立的梯度结构建模方法为更准确分析FG-TBCs内部应力分布提供了新的选择,研究结果为长寿命热障涂层的制备提供了理论和实验支持。     

热障涂层TGO界面应力分布及裂纹扩展行为的研究进展

热障涂层以其优异的抗氧化? 隔热? 耐腐蚀性而广泛应用于热端部件表面.在超过1000℃高温的服役环境下,外界的氧元素通过陶瓷层扩散到粘接层界面,与其中的金属元素发生氧化反应生成一层热生长高温氧化物(TGO)? 随着服役时间的增加,TGO不断生长,TGO界面产生较大的热应力,导致裂纹的萌生与扩展,使得涂层大面积剥落,因此...     

TGO界面特征对热障涂层残余应力的影响

采用非线性有限元方法模拟计算了热障涂层中陶瓷层(TCC)及粘结层(BC)与热生长氧化物(TGO)层界面的残余应力的分布,计算过程中,考虑到了材料物性的非线性特征及界面形貌特征的影响.结果表明,形貌单元尺寸及分布密度对TGO界面应力有明显的影响,TCC/TGO界面的应力大于BC/TGO界面的应力.在锥形坑形貌中心尖点处存在应力集中现象,且呈现最大应力值,是涂层失效的危险点,并且残余应力值随着界面形貌分布密度的增加而减小.     

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。     

Ambient and high-temperature thermal conductivity of thermal sprayed coatings

Aside from its importance as a design parameter for thermal barrier coatings, measuring thermal conductivity of thermal sprayed coatings itself provides a unique method to critically characterize the nature, quantity, and anisotropy of the defect morphologies in these splat-based coatings. In this paper, the authors present a systematic assessment of thermal conductivity of wide range using the flash diffusivity technique. For the case of plasma sprayed yttria-stabilized zirconia (YSZ), coatings obtained from wide-ranging initial powder morphologies as well as those fabricated under different particle states were characterized. Both in-plane and through-thickness properties were obtained. Other material systems that were considered include: metallic alloys and semiconductors of interests. Issues such as reproducibility and reliability in measurements were also considered and assessed. Finally, work in collaboration with the Oak Ridge National Laboratory (ORNL) for alternate approaches to characterization of thermal conductivity as well as high-temperature measurements was performed. This article was originally published inBuilding on 100 Years of Success, Proceedings of the 2006 International Thermal Spray Conference (Seattle, WA), May 15–18, 2006, B.R. Marple, M.M. Hyland, Y.-Ch. Lau, R.S. Lima, and J. Voyer, Ed., ASM International, Materials Park, OH, 2006.     

Properties of plasma-sprayed bond coats

Increasing bond coat oxidation resistance has been clearly linked to increasing durability of the ceramic layer of thermal barrier coatings (TBCs). However, recent studies have shown that significant differences in TBC life can be achieved for different bond coats that exhibit little or no difference in oxidation behav-ior. These data suggest that bond coat properties other than oxidation resistance can also influence TBC life. Determination of which properties affect TBC life and how they do so could be valuable in designing new, more durable TBCs. This paper reviews the results of comparative studies of the properties of three bond coat compositions that have similar oxidation behavior but different TBC lives. An analysis of the properties indicates that the thermal cycle residual stress, calculated from the coefficient of thermal ex-pansion and the stress relaxation behavior of the three alloys, is strongly correlated to the observed dif-ferences in TBC life.     

界面形貌对热障涂层界面残余应力影响的数值模拟

利用有限元方法 ,对热障涂层热循环降温过程中产生的残余应力进行了数值模拟 ,研究了有尖点和无尖点正弦波形微坑以及矩形微坑对界面残余应力的影响。结果表明 ,微坑形状不同 ,界面上残余应力的大小、性质与分布也不同 ;微坑的形状变化和尖点的出现 ,将会使该处的应力发生突变 ,不利于增强界面结合强度。因此 ,从对热障涂层界面残余应力的影响角度看 ,无尖点的正弦波形微坑既优于有尖点微坑也优于矩形微坑