等离子喷涂-物理气相沉积制备7YSZ热障涂层及其热导率研究

通过等离子喷涂-物理气相沉积(PS-PVD)技术在3种不同工艺参数下制备7YSZ热障涂层。采用XRD和SEM分析涂层的相结构和微观组织,利用激光脉冲法测量涂层不同温度下的热导率。结果表明:通过调整工艺参数中电流的大小和等离子气体成分,可以制备截面呈柱状、致密层状和柱-颗粒状混合组织结构,表面呈"菜花"状或起伏的多峰状的YSZ热障涂层。涂层的相结构由粉末的单斜相氧化锆(m-ZrO_2)转变为涂层中的四方相氧化锆(t-ZrO_2),并保留至室温。在700~1100℃时,YSZ涂层的热导率随着温度的升高而增大。柱状晶结构涂层因具有较大的孔隙率,可以有效降低涂层的热导率,其热导率为1.0~1.2W·m~(-1)·K~(-1);而层状结构涂层由于比较致密,其热导率相对较高。     

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。     

等离子喷涂-物理气相沉积的气相沉积机理

以等离子喷涂-物理气相沉积(PS-PVD)喷涂团聚的 ZrO₂-7wt%Y₂O₃(7YSZ)粉末在五个喷距下制备了热障涂层。通过场发射-扫描电镜(FE-SEM)和X射线衍射(XRD)分析了五个涂层样品的微观结构和相成分差异。另外, 通过发射光谱(OES)诊断研究了射流中7YSZ粉末气相浓度随喷距的变化。最后, 阐述了3种不同的气相沉积涂层生长机制, 说明了射流中粉末的状态和气相浓度对涂层结构的影响。研究表明：(1)350 mm和1800 mm喷距下形成的均是致密结构涂层, 而650~1250 mm喷距下形成的是典型的PS-PVD柱状结构涂层。(2)350 mm喷距下制备的涂层由四方相(t’)和单斜相(m)氧化锆构成; 当喷距大于650 mm时, 涂层以四方相(t’)氧化锆为主。(3)350 mm喷距下涂层是由高浓度气相过饱和自发形核形成的新核和液/固粒子共同作用形成的; 喷距650~1250 mm下, 涂层生长以气相沉积于基体进行非自发形核为主, 气相在射流中的自发形核为辅; 喷距1800 mm下涂层由气相过冷凝固的粒子堆积而成。     

等离子喷涂-物理气相沉积7YSZ热障涂层高温氧化过程中的阻抗谱分析

采用等离子喷涂-物理气相沉积(PS-PVD)在预处理的粘结层表面制备了柱状结构的7YSZ热障涂层,并在大气环境下测试了该涂层在950℃的静态高温氧化性能。利用透射电镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)及能谱仪(EDS)等对热障涂层进行了表征,并采用阻抗谱分析研究了该涂层在高温氧化过程中的结构演变过程。结果表明,7YSZ热障涂层是由二次柱状晶及其纳米间隙、柱状枝晶间孔隙和分布在枝晶上的微纳米固态颗粒组合形成。阻抗分析表明,热生长氧化物(TGO)层在高温氧化150 h后氧空位含量减少,致密度增加。在高温氧化过程中,二次柱状晶的内部结构没有发生明显改变。此外,氧化过程中YSZ层内形成的烧结收缩裂纹是导致YSZ晶界电容值减小、电阻值增加的主要原因。     

悬浮液等离子喷涂制备的热障涂层微观结构和性能

以纳米8wt.%Y2O3-ZrO2(YSZ)粉末为原料制备悬浮液,并将悬浮液喂料进行等离子喷涂制备热障涂层.采用XRD,SEM分析涂层的相组成与显微组织.结果表明:涂层中的晶粒保持在纳米尺度,涂层的相结构稳定.涂层表面覆盖着致密的扁平粒子组织,扁平粒子的平均等效直径为1.7 um,厚度均处在纳米尺寸.涂层内部为非层状结构,分布有大量的孔隙.这些组织和结构使得涂层具有优良的抗热震性能.     

等离子喷涂热障涂层隔热性能分析方法

热障涂层材料已成为现代高性能航空发动机的关键材料,而隔热性能一直是评价热障涂层性能的一个重要指标。首先基于傅里叶导热定律,推导出一维稳态温度场的解析表达式,并讨论了陶瓷层厚度、陶瓷层上表面工作温度和金属基底下表面工作温度对热障涂层系统隔热性能的影响。设计了一种比较新颖的实验测试方法,成功实现了对热障涂层系统内部不同位置的温度进行实时测试和保存实验数据。结果表明,各个温度采集点的实验测试结果与理论预测结果吻合很好,说明提出的实验测试方法可以有效评估不同类型的热障涂层材料体系的隔热性能。     

等离子喷涂–物理气相沉积7YSZ热障涂层沉积机理及其CMAS腐蚀失效机制

采用等离子喷涂–物理气相沉积(PS-PVD)以团聚烧结的ZrO2-7wt%Y2O3(7YSZ)为原料,在850℃基体温度下制备了具有柱状结构的热障涂层,并通过场发射–扫描电镜(FE-SEM)分析了柱状涂层的显微结构。此外,基于原子聚集理论研究了PS-PVD中7YSZ气相分子在基体上的形核与生长过程,并分析了高温基体下7YSZ柱状涂层的沉积机理。另外,在1200℃下考察了7YSZ柱状涂层的CaO-MgO-Al2O3-SiO2(CMAS)腐蚀性能并探讨了其失效机制。结果表明,在高温下7YSZ气相分子首先吸附在基体上,通过扩散迁移形成分子团并吸附在基体表面上,然后分子团再与其它吸附分子碰撞结合形成临界晶核,临界晶核捕获其它吸附分子进一步长大形成晶核小岛,此后依次经过岛状、联并、沟道、连续这四个阶段最终形成柱状涂层。高温下CMAS熔融并在毛细管力的作用下沿着柱状涂层孔隙往深度方向渗透并与涂层发生热化学反应使涂层热物性能发生变化,最终在热化学与热机械的相互作用下使涂层内产生平行于表面的横向裂纹,并层离失效。     

制备参数对等离子喷涂热障涂层高温冲蚀性能的影响

燃机热端部件热障涂层实际服役过程中不可避免发生高温冲蚀,引起涂层失效。采用等离子喷涂工艺制备不同喷涂距离、不同喷涂功率的热障涂层,并对其进行1 000℃/60°高温冲蚀试验,研究制备参数对热障涂层耐高温冲蚀性能的影响规律。结果表明:42 kW功率制备涂层,随喷涂距离的增加(110,120,130 mm),涂层耐高温冲蚀性能降低,冲蚀率显著增大(31.40,45.11,76.79 mg/g);110 mm喷涂距离下制备涂层,随喷涂功率的增加(39,42 kW),涂层耐高温冲蚀性能提高,冲蚀率减小(58.86,31.40 mg/g);涂层力学性能是影响其高温冲蚀性能的重要因素。     

SiO_2添加剂对等离子喷涂ZrO_2涂层结构和性能的影响

本文研究 SiO_2添加剂对 ZrO_2涂层结构和性能的影响。结果表明,在增加过渡层的同时,添加3wt-%左右的 SiO_2,可使涂层的粘结强度和熱冲击寿命提高4—5倍。添加剂改善涂层寿命的原因是等离子喷涂时,SiO_2熔化渗入 ZrO_2颗粒之间和孔隙中,首先起到液相烧结作用;随后在涂层内汽化(蒸发)增加其孔隙率,使涂层的应力易于松弛,而且,SiO_2以石英相形态沿平行于表面方向塞积在涂层孔隙处,隔绝氧化气氛的进入,起到“自封孔”的作用。在粘结层和 ZrO_2层之间增加过渡层,有利于涂层应力的延缓过渡。     

等离子喷涂热障涂层多层结构的研究进展

基于热障涂层的发展现状，总结了SPS（悬浮液等离子喷涂）、SPPS（溶液前驱体等离子喷涂）及PS-PVD（等离子喷涂-物理气相沉积）技术及其制备的热障涂层结构性能特点；综述了等离子喷涂热障涂层单层、多层和梯度涂层的发展，着重总结了La₂Zr₂O₇、Gd₂Zr₂O₇、La₂Ce₂O₇ 3种陶瓷材料体系结构变化对涂层性能的影响；展望了热障涂层多层结构的发展前景。     

低压等离子喷涂YSZ热障涂层的组织结构

采用YSZ(Y2O3-ZrO2 8%W)粉末,经低压等离子喷涂(LPPS)在不同压力条件下制备了YSZ热障涂层(TBCs).通过扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)分析以及光电子能谱分析(XPS)对涂层的微观组织和相结构进行分析,结果表明:LPPS 8%Y2O3-ZrO2涂层为等轴层状结构,随压力越高,粉末熔化越充分,涂层内未熔粉末夹生形成的孔隙减少,同时闭合式堆垛孔隙增多;涂层由立方相c-ZrO2和四方相t‘-ZrO2组成,Zr4 在涂层中处于一种不完全氧化的状态.     

等离子喷涂-物理气相沉积Si/莫来石/Yb2SiO5环境障涂层

采用等离子喷涂-物理气相沉积技术(PS-PVD)在SiC/SiC复合材料表面依次制备了Si(底层)、3Al₂O₃-2SiO₂ (中间层)、Yb₂SiO₅(面层)环境障涂层(EBC)。利用扫描电子显微镜(SEM)观察分析EBC涂层表面与界面的微观形貌, X射线衍射仪对喷涂过程中易非晶化的莫来石涂层进行物相分析, 研究了喷涂粉末与高温等离子体的相互作用并探讨了EBC涂层的沉积机制。结果表明：通过PS-PVD技术可制备出低孔隙率、高致密界面的EBC涂层。通过观察EBC涂层表面, Si涂层表面无裂纹, 而莫来石和Yb₂SiO₅涂层表面均发现有微裂纹, 其中莫来石涂层表面的裂纹尺度大于Yb₂SiO₅涂层。三层结构的致密EBC涂层以液相沉积为主, 同时伴随有气、固沉积。在Yb₂SiO₅涂层沉积过程中, 液相沉积导致涂层为致密的层状结构, 蒸发后气相在等离子焰流中及基体表面发生均匀形核和非均匀形核导致涂层中出现大量的纳米晶粒, 而微熔粒子和溅射粒子则形成涂层中亚微米、微米晶粒。     

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。     

等离子喷涂制备热障涂层的研究进展

等离子喷涂是制备热障涂层最常用的技术。综述了大气等离子喷涂、超音速等离子喷涂、低压等离子喷涂制备热障涂层的研究进展,分析了这3种制备技术的优缺点,并对等离子喷涂制备热障涂层的发展趋势进行了展望。     

去应力退火对等离子喷涂ZrO2-NiCoCrAlY热障涂层热震性能的影响

研究了等离子喷涂ZrO2-NiCoCrA1Y不同结构热障涂层的硬度分布800℃和1000℃温度下的热震性能。并进一步研究了去应力退火对涂层热震性能的影响。结果表明,与非梯度涂层相比,梯度涂层具有较平缓的硬度分布,不存在金属与陶瓷层界面间的硬度突变。热循环温度增加,使抗热震性能降低,但梯度涂层在两种温度下均具有较高的抗热震性。去应力退火处理较显著地提高了涂层的抗震性。     

超音速等离子喷涂制备纳米结构梯度功能热障涂层

开发了国内外独创的“双通道、双温区“超音速等离子喷涂的新工艺,分别将高熔点陶瓷粉末和低熔点合金粉末送入喷枪内孔等离子弧的不同温区,保证两种粉末都能在各自的熔点附近获得充分熔融,再均匀混合后以超音速喷射到基体形成涂层,克服了传统的“金属/陶瓷混合法“喷涂过程中高熔点陶瓷熔化不足,低熔点合金过熔、氧化、脆化的难题;同时,由于粒子超音速飞行,在射流中停留时间缩短,晶粒来不及长大,从而使得制备出的CeO_2-Y_2O_3部分稳定的ZrO_2陶瓷涂层仍保留了纳米晶尺寸;由此获得的CeO_2-Y_2O_3/NiCoCrAlY纳米结构梯度功能热障涂层中,陶瓷与金属组份呈连续梯度分布,组织均匀、致密,涂层的韧性、抗氧化性和抗热冲击性能都有明显提高。     

沉积入射角度对热障涂层形貌和性能的影响

采用真空电弧镀（ARC）技术在DZ125合金基体上制备NiCrAlYSi(HY3)金属粘结层,然后采用电子束物理气相沉积（EB-PVD）技术,分别以0°、20°、40°、60°和80°五种入射角度沉积氧化钇稳定氧化锆（6～8YSZ）陶瓷涂层,研究了入射角度对涂层形貌和性能的影响。结果表明：五种入射角度的热障涂层均能形成柱状晶结构,随着入射角度增加,孔隙率和柱状晶倾斜角度均逐渐增加,涂层厚度逐渐减小;对带涂层试样进行结合强度测试,入射角度0°～40°时涂层的结合强度均在55MPa以上,入射角度增加到80°时,结合强度降低到15.7MPa;热冲击条件下,陶瓷面层和基体之间形成TGO,由于不同入射角度下涂层孔隙率不同,TGO生长速度不一致,导致其热冲击寿命存在明显差异,入射角度为0°～40°时涂层的热冲击寿命均超过4000次,入射角度为60°时涂层的热冲击寿命为3371次,入射角度为80°时涂层的热冲击寿命最短,仅为1836次。