热障涂层钢活塞和硅铝合金活塞的热分析

为降低活塞基体温度,提高柴油机性能,分别在硅铝合金活塞和钢活塞上喷涂稳定的氧化镁-氧化锆等离子体。讨论了热障涂层对两种材料活塞的温度场和热应力的影响。分析了有无陶瓷涂层活塞温度场和应力场的变化。结果表明,和无涂层活塞相比,热障涂层活塞表面的最高温度明显升高,钢活塞和硅铝合金活塞表面的最高温度分别增加了31%和54%,但是对应的基体最高温度分别下降了27.55%和26.91%。     

可计及温度与层状结构影响的超高温陶瓷基复合材料涂层残余热应力理论表征模型

目的创建可计及温度与层状结构共同影响的超高温陶瓷基复合材料涂层与基体层因热不匹配导致的残余热应力的理论表征模型。方法基于经典的层合板理论与超高温陶瓷基复合材料热物理性能参数对温度的敏感性研究,引入温度和层状结构对涂层与基体层所受残余热应力的影响,形成各层残余热应力温度相关性的理论表征方法,并以ZrB_2-SiC复合材料涂层为例,利用该理论方法系统地研究了各种控制机制对残余热应力的影响及其随温度的演化规律。结果超高温陶瓷基复合材料涂层与基体层所受的残余热应力随着温度的变化而变化,涂层热膨胀系数与基体层热膨胀系数差别越大,变化幅度越大。当涂层材料热膨胀系数大于基体层材料热膨胀系数时,涂层材料遭受残余拉应力,基体层材料遭受残余压应力;随着涂层厚度的增加,涂层所受拉应力减小,而基体层所受压应力增大;当涂层材料热膨胀系数小于基体层材料热膨胀系数时,涂层材料遭受残余压应力,基体层材料遭受残余拉应力;随着涂层厚度的增加,涂层所受压应力减小,而基体层所受拉应力增大。低温下,各层所受残余热应力对层厚与每层材料组成的变化比较敏感,随着温度的升高,敏感性降低。结论对于涂层材料,应设计涂层材料的热膨胀系数小于基体层材料的热膨胀系数,使涂层遭受残余压应力,这不仅能够降低材料表面产生裂纹的危险,同时可以抑制表面已有缺陷的扩展。同时应当设计相对较小的涂层厚度,以增大涂层所受的残余压应力,降低基体层所受的残余拉应力,有效提高整体材料在不同温度下的强度性能。     

爆炸压涂制备纳米氧化锆涂层及其组织与性能研究

运用爆炸压涂技术在钢基体上制备了较大面积的纳米氧化锆涂层。利用扫描电镜、X射线衍射等手段研究了纳米氧化锆涂层的微观组织、孔隙率和晶粒度。结果表明,制备的纳米氧化锆涂层结构致密,涂层的孔隙率为5%;与基体结合紧密;爆炸压涂前后氧化锆成分未发生变化;涂层中的氧化锆仍然以稳定的单斜相存在,不存在立方相;涂层中的氧化锆晶粒与粉末晶粒尺寸基本一致。爆炸压涂制备的陶瓷涂层能够保持纳米粉末材料的尺寸和特性。     

经溶胶－凝胶后处理之热障涂层的热传导行为特性

热障涂层已广泛用于若干工业部门。在这些系统中用作隔热体的材料是等离子喷涂在金属粘结底层上的经部分稳定化处理的氧化锆(PSZ)。陶瓷涂层通常是疏松多孔的，这样就改善了隔热性能，但孔隙也同时增加了气体的可穿透性，因此降低了涂层的抗氧化性能。应用后处理可以减少开放式孔隙从而改善抗氧化性。本研究是在采用两组粘结底层即金属涂层和金属—陶瓷涂层的低碳钢基体上应用热障涂层。金属粘结底层是NiCrAlY，而金属—陶瓷粘结底层是NiCrAlY和用8％氧化钇部分稳定化的氧化锆的混合物，用两个送粉器同时将它们输送到等离子喷抢中。溶胶—凝胶法是用氧化铝和氧化锆浸渗填满陶瓷顶涂层中的孔隙。用水银浸入孔隙率仪(MIP)和热传导性能评价了喷涂态的和后处理状态下的涂层试样。     

TC4钛合金微弧氧化-溶胶凝胶复合涂层的制备及其抗高温氧化性能

为了提高钛合金的使用温度,设计并制备了一种微弧氧化(MAO)-氧化钇稳定氧化锆(YSZ)的陶瓷复合涂层。采用微弧氧化(MAO)技术在TC4钛合金基体表面原位生长出一层氧化铝陶瓷层(TM涂层),然后采用溶胶-凝胶法(Sol-gel)在MAO层的基础上制备低导热系数的钇稳定氧化锆(YSZ)涂层,最终制备出MAO-YSZ复合涂层(TMY复合涂层)。采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)分析涂层的相结构、组织形貌和成分,并测定了TC4、TM涂层以及TMY复合涂层在700℃下的氧化动力学曲线。结果表明:TMY复合涂层外层以ZrO2为主,内层主要为Al2O3。具有TMY复合涂层的钛合金在700℃下氧化100h后其氧化增重仅为无涂层钛合金的14%,说明TMY复合涂层可以显著提高钛合金的抗高温氧化性能与使用温度。     

温度场对电弧喷涂热应力的影响

基于热力学热传导原理和材料力学力和力矩的平衡原理,提出了考虑温度场的电弧快速成形涂层和基体热应力分析方法,能计算涂层成形后,由于自身温度降低以及向基体热传导产生温度场变化引起涂层和基体的热应力.借助广义热传导方程并赋予给定初始和边界条件,推导了基体厚度方向各位置温度分布函数,将推导的温度分布函数结合温度应变方程、力和力矩平衡方程推导了涂层和基体由于温度场变化产生的热应力理论计算方法.结果表明,热应力理论计算方法较好反映喷涂成形后涂层和基体间热应力分布规律,能较好控制涂层的质量,实现厚成形.     

氧化锆材料的掺杂机理探讨

氧化锆基陶瓷材料具有良好的物理性能和化学性能，在很多高新技术产业方面得到广泛的应用。但纯氧化锆与氧化锆陶瓷随温度的升高产生由单料→四方→立方的转变，这种相结构的变化导致性能不稳定，并伴随着体积发生变化使材料遭到破坏。作者综述了近年来对氧化锆掺杂稳定机理的研究，主要包括：低价阳离子掺杂机理，同价阳离子掺杂机理和多相掺杂机理。其中心思想认为空穴是影响氧化锆结构稳定性的最重要因素。并着重叙述了不同价态对结构稳定性的影响。     

燃气轮机起动过程热障涂层的应力数值分析

考虑了热障涂层在服役过程中发生的陶瓷层烧结和氧化层增厚作用,对燃气轮机起动过程中涂层热应力进行了数值研究。通过瞬态传热模拟获得起动过程温度场,运用顺序热应力耦合求解起动过程热应力。其中起动初始的陶瓷层烧结和氧化层增厚状态,通过预先模拟高温烧结和氧化层增厚过程来获得,并通过ABAQUS子程序分别实现。结果表明,起动过程中涂层瞬态温度场的变化主要受燃气温度的变化规律所影响。起动过程未见热应力激增现象,陶瓷层烧结和氧化层增厚主要对起动初期,尤其是起动过程的初始残余应力有重要影响,对起动过程中后期的影响可忽略。烧结对陶瓷层和粘结层的热应力均有较大影响,而氧化层增厚对陶瓷层热应力的影响很小,但其对粘结层热应力的影响比烧结更大。     

等离子喷涂YPSZ陶瓷梯度涂层的组织与抗热震性能

利用等离子喷涂工艺在汽车铝活塞表面制备了氧化钇部分稳定的氧化锆(YPSZ)陶瓷梯度涂层,用电子扫描显微镜、金相显微镜等手段对涂层从组织形貌、物相、显微硬度和热震性能进行了分析.结果表明:基体与涂层结合紧密;涂层在冷却过程中发生了t-ZrO2→m-ZrO2的相变过程;涂层的热震性能良好,可满足活塞的使用要求.     

流-固-热多工况耦合作用下梯度复合涂层应力分布仿真分析

针对复合涂层的现有仿真方法多基于单一物理场的影响,不能反映多物理场耦合作用等实际工况下的力学性能。以航空发动机附件机匣的典型工况环境为背景,建立描述流-固-热耦合作用下梯度复合涂层各物理参数变化的数学模型,计算涂层不同分布方式下其内部的von Mises应力分布。结果表明,过渡层材料组分的渐变方式对涂层热应变和层内von Mises应力分布有较大影响,以航空发动机附件机匣中某型花键副为例,在施加实际工况下的载荷和温度条件后,温度场引起的热应力较载荷-润滑引起的应力更大,在润滑、热场和载荷的耦合作用下,三种分布方式的涂层最大应力均位于表层,随梯度的增大逐渐向基体扩散;梯度增大的过渡方式在涂层内可以获得最小的最大vonMises应力。在所关注的温度范围内,与梯度减小的过渡方式相比,使用梯度增大的过渡方式可使最大vonMises应力减小14.5%。所建立的仿真方法可模拟近似实际工况,研究结果可用于指导梯度复合涂层的设计和制备。     

热障涂层先进陶瓷材料研究进展

随着航空航天技术的不断发展,恶劣的工作环境对镍基高温合金的使用性能提出了更高的要求,热障涂层是一种应用于涡轮发动机热端部件的表面技术,通过沉积在镍基高温合金表面以降低基底表面温度。概述了传统氧化钇部分稳定氧化锆热障涂层的性能优势,包括优异的隔热性能、较高的热膨胀系数与断裂韧性。同时归纳了氧化钇部分稳定氧化锆热障涂层在高温环境下存在的问题,包括氧化锆相变与涂层烧结造成的过早失效。在此基础上,重点综述了近年来热障涂层先进陶瓷材料的研究进展,包括稀土陶瓷材料与自愈合材料,其中稀土陶瓷材料包括稀土掺杂氧化锆、成分掺杂与结构设计的稀土锆酸盐、稀土磷酸盐、3种不同结构的稀土钽酸盐、高熵稀土陶瓷材料以及稀土铌酸盐等,自愈合材料包括二硅化钼与碳化钛。针对各种热障涂层陶瓷材料,分别从热震寿命、热膨胀系数、热导率、耐腐蚀性、断裂韧性等方面进行了归纳,并总结了各材料现阶段发展的不足之处。最后展望了热障涂层材料的发展方向。     

Isothermal oxidation of physical vapor deposited partially stabilized zirconia thermal barrier coatings

Thermal barrier coatings (TBCs), consisting of physical vapor deposited (PVD) partially stabilized zirconia (PSZ, 8 wt.%Y₂O₃) and a diffusion aluminide bond coat, were characterized as a function of time after oxidative isothermal heat treatment at 1373 K in air. The experimental characterizations was conducted by X-ray diffraction analysis and scanning electron microscopy (SEM) with energy-dispersive spectroscopy. During cooling to room temperature, spallation of the PSZ ceramic coatings occurred after 200 and 350 h of isothermal heat treatment. This failure was always sudden and violent, with the TBC popping from the substrate. The monoclinic phase of zirconia was first observed on the bottom surface of the PVD PSZ after 200 h of isothermal heat treatment. The failure of TBCs occurred either in the bond coat oxidation products of αAl₂O₃ and rutile TiO₂ or at the interface between the oxidation products and the diffusion aluminide bond coat or the PSZ coating.     

Effect of Thermal Aging on Microstructure and Functional Properties of Zirconia-Base Thermal Barrier Coatings

Thermal barrier coating (TBCs) systems made of plasma sprayed zirconia are commonly used in gas turbine engines to lower metal components surface temperature and allow higher combustion temperature that results in higher fuel efficiency and environmentally cleaner emissions. Low thermal conductivity and long service life are the most important properties of these coatings. The objective of this work was to study the influence of a long-term heat treatment (i.e., 1200 °C/2000 h) on different characteristics of atmospheric plasma sprayed TBCs. Two zirconia feedstock materials were evaluated, namely, yttria partially stabilized zirconia and dysprosia partially stabilized zirconia. Several spray conditions were designed and employed to achieve different coating morphologies. Microstructure analyses revealed that the coating microstructure was significantly dependent on both operating conditions and heat treatment conditions. Significant changes in coatings porosity occurred during heat treatment. The lowest thermal conductivity was reached with the dysprosia partially stabilized zirconia material. Heat treatment affected TBCs adhesion strength as well.     

Thermal conductivity of a zirconia thermal barrier coating

The conductivity of a thermal-barrier coating composed of atmospheric plasma sprayed 8 mass percent yttria partially stabilized zirconia has been measured. This coating was sprayed on a substrate of 410 stainless steel. An absolute, steady-state measurement method was used to measure thermal conductivity from 400 to 800 K. The thermal conductivity of the coating is 0.62 W/(m×K). This measurement has shown to be temperature independent.     

氧化锆粉体的制备及其在热障涂层中的应用

分别描述了纳米氧化锆粉体与空心球氧化锆粉体的制备工艺，分析了不同工艺影响氧化锆产物形态、结构、粒度等方面的因素，并将2种粉末制备的涂层分别与传统微结构涂层进行性能对比。在分析由不同氧化锆粉末制备而成的涂层性能时，除了工艺参数外，更多的是考虑初始氧化锆粉末对涂层性能所带来的影响。期待在未来的研究中，能够优化现有或者探索出更优异的制粉工艺，研究出性能更加优良的新型粉末，以期能够提高热障涂层的性能，满足高精尖领域在未来的使用需求。最后，针对不同制粉工艺及不同粉末制备涂层的发展方向进行了展望。     

Influence of dopant on the thermal properties of two plasma-sprayed zirconia coatings Part I: Relationship between powder characteristics and coating properties

Plasma- sprayed coatings produced with two zirconia powders (− 90 + 10 μm, spray dried and partially sintered) that were stabilized (9 wt %) with dysprosia (DSZ) and ytterbia (YbSZ) were compared to coat-ings sprayed with a yttria (7 wt %) stabilized zirconia (YSZ) powder (45 + 22 μm, fused and crushed). The YSZ particles in the coating were almost fully molten (less than 0.2 % monoclinic m- phase), with excellent contact between the layered splats (adhesion of 54 MPa). The DSZ particles were only partially melted (3.1 % m- phase), with coating adhesion greater than 34 MPa; the YbSZ particles were less melted (6.1 % m- phase), with coating adhesion of 27 MPa. The thermal properties (diffusivity, a; specific heat, c_p; and thermal conductivity, κ) of the coatings were about the same. Under thermal cycling (1 h heating at 1100 °C in a furnace followed by fast cooling for approximately 3 min by air jets) of the coatings sprayed on FeCrAl alloy manufactured by powder metallurgy, the behavior of the DSZ coating was simi-lar to that of the YSZ, whereas the YbSZ coating was partially detached. However, in all cases the percent-age of the monoclinic phase decreased and the ratio of the hexagonal structure increased to 1.013 of the nontransformable tetragonal phase t′.     

Thermo mechanical analysis of a partially ceramic coated piston used in an SI engine

The purpose of this paper is to determine the temperature and the stress distributions in a partial ceramic coated spark ignition (SI) engine piston. Effects of coating thickness and width on temperature and stress distributions were investigated including comparisons with results from an uncoated piston. It is observed that the coating surface temperature increase with increasing the thickness in a decreasing rate. Surface temperature of the piston with 0.4 mm coating thickness was increased up to 82 °C. The normal stress on the coated surface decreases with coating thickness, up to approximately 1 mm for which the value of stress is the minimum. However, it rises when coating thickness exceeds 1 mm. As for bond coat surface, increasing coating thickness, the normal stress decreases steadily and the maximum shear stress rises in a decreasing rate. The optimum coating thickness was found to be near 1 mm under the given conditions.     

Gd2 O3 -Yb2 O3 -Y2 O3 -ZrO2 热障涂层材料的热物理性能

目的通过多元稀土氧化物掺杂改性YSZ,提高传统热障涂层的性能。方法使用化学共沉淀法制备不同掺杂量的Gd2O3-Yb2O3-Y2O3-Zr O2(GYYZO)材料,并分别使用冷等静压-烧结和等离子喷涂工艺制备块材和涂层。通过测试块材的热导率和热膨胀系数,分析评价材料的热物理性能。对高温退火处理后的涂层进行X射线衍射分析,评价不同成分涂层的高温相稳定性。结果氧化锆基材料的热导率和热膨胀系数随总掺杂量升高而降低。氧化锆中稀土氧化物总掺杂量为5.5%~9.84%(摩尔分数)时,在1000℃下的热导率为1.25~1.56 W/(m·K),相对8YSZ材料下降了22%~37.5%;在200~1300℃的热膨胀系数为(10~11.1)×10-6/K,与传统8YSZ材料相当。在1400℃长时间退火处理后,低掺杂量GYYZO涂层中的单斜相含量明显低于8YSZ涂层。结论多元稀土氧化物掺杂改性氧化锆材料具有良好的高温相稳定性、低热导率和适当的热膨胀系数,可以作为高性能热障涂层的备选材料。