热障涂层HCPEB改性过程中的应力研究

通过有限元分析软件Abaqus,采用三维模型,对热障涂层表面强流脉冲电子束改性过程进行了数值模拟,分析了电子束轰击过程温度变化以及涂层系统内部应力的分布情况。结果表明,随着外界能量的增加,涂层温度随着涂层厚度的增加而减小;当外界能量消失,冷却过程中,由于涂层表面和周围的热辐射和热扩散作用,陶瓷层表面最先冷却,此时陶瓷层内部温度略微升高,之后陶瓷层内部热能通过陶瓷层表面进行释放,最后整个涂层冷却至室温,温度随时间变化率高达106~107K/s。冷却至室温时,应力随陶瓷层厚度的增加呈先减小后增加的趋势,而在涂层表面径向应力先减小后增加,达到0.5 MPa后,应力开始减小至稳态值。     

界面形貌对热障涂层残余应力分布的影响

用ABAQUS有限元软件建立了热障涂层模型,计算得出,在热载荷作用下,界面形貌对热障涂层材料残余应力分布影响很大,σ22主要集中在热生长氧化层和过渡层波峰处,随着热生长氧化层变厚、波长变小、振幅变大,σ22变大,且最大值产生在热生长氧化层/过渡层界面的波峰处.     

等离子喷涂热障涂层残余应力的实验与模拟研究

分别采用真空和大气等离子体喷涂工艺在GH3128镍基高温合金基材表面制备CoNiCrAlY结合层和氧化钇部分稳定的氧化锆陶瓷层组成热障涂层。采用有限元模拟计算了涂层的残余应力, 研究了基材预热对打底层与陶瓷层界面应力分布的影响规律。结果表明, 预热基材可以显著地降低陶瓷顶层内部产生的残余拉应力。采用钻孔法测量了涂层中的残余应力并与模拟结果作定量比较, 结果表明: 有限元模拟计算结果与实验测量结果能较好吻合。     

EB-PVD在热障涂层中的研究及应用

EB-PVD是以高能电子束为热源的一种蒸发镀膜技术.在真空的环境下,高能离子束轰击靶材(金属,陶瓷等),使其融化、升华、蒸发,最后沉积在基片上.由于EB-PVD技术具有蒸发和沉积速率高,涂层致密,化学成分易于精确控制,可得到柱状晶组织,无污染,热效率高,基片与薄膜之间有较强的结合力等诸多优点,已被广泛应用于国防和民用领域.本文介绍了EB-PVD技术在制备热障涂层时优势、不足与改进措施.     

界面摩擦对热障涂层压痕响应的影响

以四层结构的热胀涂层薄膜／基体材料为基础，利用有限元建立模型分析了界面摩擦对压痕响应的影响。分析表明，考虑界面摩擦情况下，随着摩擦系数的增大，压痕响应越趋近于完全结合时的压痕响应；水平方向的最大位移值随着摩擦系数的增大也逐渐增大。界面光滑接触时接触界面力学响应可以忽略。     

EB—PVD热障涂层的失效行为研究

利用Ｘ射线衍射（ＸＲＤ）、扫描电镜（ＳＥＭ）及能谱分析（ＥＤＸＳ）技术，对ＥＢ－ＰＶＤ热障涂层（ＴＢＣｓ）中陶瓷面层在热冲击和循环氧化试验前后的形和变化进行了分析，研究了陶瓷面层的生长形态和相且分对热障涂层耐久性的影响。     

强流脉冲电子束粘结层表面改性对热障涂层热震及残余应力的影响

采用等离子喷涂技术在GH4169镍基高温合金表面制备CoCrAlY粘结层,利用电子束蒸发镀膜在CoCrAlY表面蒸镀纳米铝膜并使用强流脉冲电子束熔敷纳米铝膜进行表面改性,使用APS技术在CoCrAlY表面沉积陶瓷层制备改性热障涂层。对粘结层蒸镀铝膜表面改性涂层和普通涂层分别进行热震实验、结合强度测试和残余应力分析。实验发现,在1 050 ℃高温加热后10 ℃水淬的冷热循环条件下,改性涂层的抗热震性能优于普通涂层;热震过程中改性涂层和普通涂层热生长氧化物内产生的残余应力均为压应力,且随热震次数的增加而增大,改性涂层热生长氧化物内残余压应力增长速度小于普通涂层。拉伸结果显示,普通涂层的断裂属于混合断裂,而改性涂层断裂基本发生在陶瓷层和薄膜胶界面,未发现层间断裂。改性涂层结合强度优于普通涂层。实验结果表明,采用电子束蒸发镀膜和强流脉冲电子束技术相结合对粘结层进行熔敷铝膜的表面改性处理,可以显著提高热障涂层冷热循环服役寿命。     

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。     

热障涂层热冲击试验研究

随着先进发动机的研制和生产,对高温涂层的要求也不断提高。热障涂层（TBCs) 作为一种新型隔热涂层,在发动机涡轮叶片上的应用得到更多的重视。对利用电子束物理气相沉积（EB－PVD）制备的TBCs进行了高温热冲击试验,并对试验前后的TBCs进行了形貌、SEM和XRD分析。     

强流脉冲电子束热障涂层表面改性温度场数值模拟

采用了一维温度场模型,对强流(10 A·cm-2～-40 A·cm-2)、脉冲时间(10us～100us)、电子束辐照热障涂层过程中的温度场进行了数值模拟.模拟结果显示:靶材表层迅速熔化(甚至汽化),熔化层深度达到2.34um(汽化层深度0.12um);温度随时间变化率高达107 K·s-1～108 K·s-1,温度梯度大约109K·m-1;模拟结果与实验结果基本吻合.实验结果表明:经强流脉冲电子束轰击后,热障涂层性能得到改善,有利于热障涂层在工业中的应用.     

电子束物理气相沉积热障涂层抗冲蚀性能研究

本文采用真空电弧镀技术(AIP)在DZ408高温合金基体上沉积HY3(NiCrAlYSi)金属粘结层,采用电子束物理气相沉积技术(EB-PVD)在HY3粘结层上沉积YSZ陶瓷面层,研究了热障涂层的抗冲蚀性能。对于沉积热障涂层的试样进行了抗冲蚀试验,来评价其抗冲蚀性能,通过扫描电镜(SEM)分析冲蚀前后的试样显微形貌,用X-射线衍射仪分析涂层的相结构,通过质量冲蚀率对涂层抗冲蚀性能进行表征。试验结果表明在相同冲蚀条件下,TBC涂层冲蚀率随冲蚀时间的增加而增加;涂层经光饰处理后降低了TBC的表面粗糙度,提高了TBC的抗冲蚀能力。     

陶瓷热障涂层和热循环试验研究

对利用电子束物理气相沉积（ＥＢ－ＰＶＤ）制备的Ｙ２Ｏ３稳定ＺｒＯ２（陶瓷层ＹＳＺ）热循环试验进行了初步研究。试样在高温条件下经受了冷热循环试验。通过扫描电镜和Ｘ－衍射等方法揭示了ＴＢＣ涂层在热循环试验前后涂层形貌和相结构的变化。     

热循环条件下圆柱结构热障涂层系统应力场有限元分析

采用有限元模拟方法,在热循环务件下模拟计算了圆柱结构热障涂层系统应力场的演变情况,分析和讨论了热循环工作温度、陶瓷层厚度对应力场分布的影响.研究发现,在仅考虑热弹性变形的条件下,热循环工作温度和陶瓷层厚度主要影响涂层系统在保温阶段的应力场大小;在每次热循环冷却之后,系统中同一位置的残余应力值相等.对于圆柱体结构的热障涂层系统,由于材料参数不匹配而导致材料的环向应力远大于径向应力数值,因此在后续分析测试中建议重点关注其环向应力的演变.     

EB-PVD 热障涂层TGO中氧化物混合区的形成及其影响

研究了电子束物理气相沉积热障涂层在1150～30℃之间的循环氧化行为;分析了TGO中YSZ-Al2O3混合区的形成过程及其对TGO的生长与TBCs失效的影响.TGO的向外生长和TBC沉积时形成的YSZ细晶区是形成YSZ-Al2O3混合区的两个重要条件.YSZ-Al2O3混合区对TBCs失效的影响表现在加速TGO的生长和裂纹易在该混合区形成两方面.     

热障涂层应力产生机制及分布特征

热障涂层因优异的耐高温、耐磨损和耐腐蚀性等优点,被广泛应用在航空发动机等热端部件表面.热障涂层作为零件表面的服役载体,在外界热腐蚀、热梯度应力和机械载荷应力的作用下,易出现表面开裂及界面涂层剥落,这是限制热障涂层长时间使用的瓶颈问题.热障涂层由基体、粘接层、陶瓷层构成,涂层材料特性不同,界面处应力应变分布也不同,在外界载荷条件下,涂层与基体如何实现协同变形,应力如何传递等问题目前尚无明确解释.因此本文主要针对外加载荷作用下,热障涂层内部的应力传递及界面的应力分布问题进行研究.总结当前热障涂层的弹塑性应力模型和损伤应力模型,获得涂层界面应力分布规律,即弹塑性变形阶段,涂层界面应力于一端发生应力集中,并且基体与粘接层界面应力大约是陶瓷层与粘接层界面应力的四倍.随着载荷的增加,涂层表面损伤加剧,其剪滞模型的界面正应力更加符合四分之一椭圆函数,界面剪切应力呈反对称分布,应力分布特征为研究热障涂层在外载条件作用下对裂纹损伤演化行为的影响提供理论依据.     

界面具有垂直裂纹的热障涂层的失效模拟

采用有限元分析软件ANSYS构造了一个在热生长氧化层（TGO）与陶瓷层界面具有一个垂直裂纹的纳米结构热障涂层的有限元模型。并计算了在热震过程中裂纹处的应力分布图,及裂纹尖端的应力场强度因子K1变化图。计算结果表明：裂纹处存在应力集中现象,且裂纹尖端的应力场强度因子K1在热障涂层热循环的冷却过程中随着时间的延长而减小,且在冷却最开始阶段,温度梯度变化最大,K1值也变化最大,裂纹在冷却的初始具有最大的扩展可能性。且涂层最有可能发生开裂失效。     

热障涂层（TBC）稳定性的研究EI

将ＺｒＯ_２·８％Ｙ_２Ｏ_３用射频磁控溅射技术沉积在ＮｉＣｒＡｌＹ底涂层上，进行ｌｌ００℃→室温，１１００℃→冷水和９００℃→室温等热周期和熔盐作用的试验。随后进行Ｘ－射线衍射（ＸＲＤ）分析和扫描电镜（８ＥＭ）观察。结果表明，沉积态的氧化锆层主要为立方相和少量单斜相及四方相。热周期及熔盐Ｎａ_２ＳＯ_４－５％ＮａＣｌ与ＺｒＯ_２·８％Ｙ_２Ｏ_３的化学作用都促使立方相→单斜相的转变。熔盐对晶界和底涂层的化学和物理的作用是影响涂层稳定性的另一因素。     

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.     

梯度热障涂层热冲击性能研究

采用等离子喷涂的方法,分别获得了２ｍｍ ＺｒＯ２－ＮｉＣｒＡｌ和ＺｒＯ２－Ｎｉ／Ａｌ系梯度热障涂层。热冲击实验结果表明,两种涂层具有不同的失效机理。ＺｒＯ２－ＮｉＣｒＡｌ系的失效是由于基于基体氧化引起的涂层整体脱落;而ＺｒＯ２－Ｎｉ／Ａｌ系的失效是支径向裂纹扩展到Ｎｉ／Ａｌ底层氧化共同作用的结果。