激光重熔热障涂层TGO生长与抗高温氧化机制

激光重熔是提高热障涂层(TBC)陶瓷层致密度进而减少氧气传输通道的有效途径。本文将TBC陶瓷层表面进行激光重熔,通过1100℃高温氧化实验,研究重熔层对TBC热生长氧化物(TGO)的影响规律,阐明了激光重熔对提高TBC抗高温氧化性能的作用机理。结果表明：喷涂态TBC(AS-TBC)、重熔态TBC(LR-TBC)的TGO厚度及氧化增重均随氧化时间的延长而增长。重熔层能消除部分喷涂缺陷,降低陶瓷层表面粗糙度,减少涂层与氧气的接触面积。经过激光重熔的陶瓷层更加致密,促使层内粒子间隙愈合,而且重熔层的裂纹缩小甚至闭合提高了LR-TBC的应变容限,从而抑制了LR-TBC中氧通过孔隙与裂纹向黏接层的渗透,延缓了氧化中后期TGO的生长,使其直至氧化结束始终保持单一Al₂O₃层的TGO结构。最终,LR-TBC的抛物线氧化速率K_p相比AS-TBC下降了9.00%。     

YAG/8YSZ双陶瓷热障涂层等温氧化性能研究

本文对比研究了YAG/8YSZ双陶瓷和8YSZ单陶瓷热障涂层体系的抗高温氧化性能。采用爆炸喷涂(D-GUN)在310S耐热不锈钢基体上制备粘结层(NiCoCrAlY),用大气等离子喷涂(APS)分别在粘结层试样上制备YAG/8YSZ双陶瓷和8YSZ单陶瓷热障涂层,利用SEM和XRD分析涂层氧化前后截面与表面特征,对比研究2种热障涂层体系在1100 ℃等温氧化不同时间后的氧化增重动力学、YAG陶瓷层微观结构与物相及TGO生长过程和生长动力学。结果表明,YAG陶瓷层在1100 ℃等温氧化200 h后无明显相结构转变,孔隙率稍有降低;YAG/8YSZ双陶瓷层体系较8YSZ单陶瓷层体系氧化增重速率降低1.7倍,TGO生长速率降低1.4倍,粘结层β-NiAl相消耗速度及岛状氧化物生长速度更低,表现出更好的抗高温氧化性能。     

TiAl合金表面热障涂层的高温抗氧化性能研究

利用大气等离子喷涂技术(APS)在TiAl合金基体表面制备TiAl₃/Al₂O₃-13TiO₂纳米热障涂层。采用SEM、EDS和XRD技术分析纳米热障涂层在氧化前后的微观组织及相组成,并对其在950℃下的抗氧化性能进行测试。结果表明,TiAl合金表面制备TiAl₃/Al₂O₃-13TiO₂纳米热障涂层后高温抗氧化性能显著提高,氧化动力学曲线呈对数变化规律,950℃高温氧化时,氧化速率常数为3.7×10^-3 mg²·cm⁴/s。在高温氧化过程中,TiAl₃粘结层与TiAl合金基体之间发生元素扩散,TiAl合金基体与粘结层之间界面消失。在陶瓷层与粘结层之间形成均匀连续的热生长氧化物层(TGO),在TiAl₃粘结层完全降解为TiAl₂相和三元Ti-Al-O化合物后,TGO对陶瓷层和粘结层仍...     

热障涂层双层黏结层的高温氧化行为

采用箱式电阻炉研究了具有梯度热膨胀系数的（孔隙层+氧化层）双层黏结层结构热障涂层的高温氧化行为。采用气罩等离子喷涂在Inconel 738合金基材上制备60μm厚的孔隙层,通过超音速火焰喷涂（HVOF）在孔隙层上制备120μm厚的氧化层。在1000℃下对黏结层进行不同时间的高温氧化试验。结果表明,黏结层由孔隙层和氧化层组成;喷涂态孔隙层具有典型的层状结构,未出现明显氧化;喷涂态氧化层较为致密,内部弥散分布着细小的α-Al₂O₃颗粒;具有梯度热膨胀系数黏结层表面的热生长氧化物（TGO）生长速率显著低于传统黏结层,且不再遵循抛物线生长规律,而是以对数规律生长;由于生长速率缓慢,尽管在制备过程中消耗了部分Al元素,但在500 h范围内TGO仍然以α-Al₂O₃为主。      

DD90单晶高温合金热障涂层抗氧化及热循环性能

在第3代单晶高温合金DD90上制备热障涂层,采用超音速火焰喷涂(HVOF)制备NiCrAlY+NiCoCrAlTaY双层结构的粘结层,大气等离子喷涂(APS)制备YSZ和MSZ/YSZ结构的陶瓷层。在1150℃抗氧化试验中,YSZ涂层增重量明显高于MSZ涂层。在1200℃热循环250次后,2种涂层没有发生明显相变,MSZ涂层抗烧结性更优异。2种涂层TGO主要由Al₂O₃及少量尖晶石结构的混合氧化物组成。双层粘结层减少了Al元素向基材的扩散,而Cr元素由于浓度梯度扩散导致拓扑密堆(tcp)相的析出及二次反应区(SRZ)深度的增加。     

高温热障涂层材料研究进展

超高温、高隔热、长寿命热障涂层材料的研制已成为高温热防护涂层领域的研究热点。概述了常用热障涂层材料和典型潜在热障涂层材料的热力学性能,综述了其优点和不足。此外,本工作研究了稀土钽酸盐RETaO₄在1400℃时的抗CMAS腐蚀性能,同时利用交流阻抗仪测试YTaO₄和YSZ在600～900℃的电导率,并研究了YTaO₄涂层系统中热生长氧化物(TGO)的生长速率。结果表明：与YSZ相比,RETaO₄具有较强的抗CMAS腐蚀性能和较低的氧离子电导率,降低了黏结层的氧化速率和TGO的生长速率。最后,展望了TBC未来的发展方向：氧绝缘性和氧离子的传输机理、涂层结构优化、抗CMAS腐蚀和高温相稳定性。     

激光悬浮区熔Al2O3基共晶自生复合材料微观组织与力学性能

采用激光悬浮区熔定向凝固方法制备了高致密度Al₂O₃/YAG/ZrO₂共晶自生复合陶瓷材料,研究多元复相陶瓷在高温度梯度、不同生长条件下的凝固组织形态演化规律,定量表征凝固速率与氧化物陶瓷共晶间距的关系,在此基础上,考察其力学性能并分析凝固组织与断裂韧性的关系.研究结果表明:激光悬浮区熔Al₂O₃/YAG/ZrO₂三元自生复合材料呈现与热流方向平行、定向性良好的非规则层片共晶形貌,共晶组织随凝固速率的增大而快速细化,凝固速率为200μm/s时,最小层片间距达到0.46μm.平均层片间距λav与凝固速率V之间符合关系:λ_avV^0.5=12.4μm^1.5·s^-0.5,且明显小于同等凝固速率条件下Al₂O₃/YAG二元共晶的平均层片间距.Al₂O₃/YAG/ZrO₂三元共晶平均硬度为（19.0±1.0）GPa,室温断裂韧性为（3.31±0.2）MPa·m^1/2.与二元共晶相比,裂纹捕获、偏转以及共晶相热胀系数失配是三元共晶室温断裂韧性提高的主要原因.     

ODS钢在600和700℃静态Pb-Bi共晶中的腐蚀行为及机理

以一种极具潜力的先进核能候选氧化物弥散强化(ODS)钢为研究对象,以不控制氧浓度的液态金属PbBi共晶(LBE)为腐蚀介质,研究了静态下高温(600和700℃)不同腐蚀时间对ODS钢腐蚀行为的影响及其微观机制。结果表明,600℃腐蚀至2000 h,ODS钢表面生成总厚度约为10μm的典型双层氧化膜,同时在内氧化层下方形成了一层较薄的富Al氧化层。基于致密的尖晶石内氧化层及富Al氧化层的保护作用有效减缓了腐蚀氧化速率,ODS钢显示优异于其它材料的耐LBE腐蚀性能。ODS钢在700℃腐蚀所形成的氧化膜结构及厚度与600℃明显不同:腐蚀100 h主要形成了厚度约为500 nm的Al₂O₃保护膜,大幅降低了腐蚀速率;腐蚀时间延长至500 h,大部分区域Al₂O₃氧化膜仍然存在,但同时出现的少量"疖状氧化物"破坏了Al₂O₃保护膜的连续性,从而成为了腐蚀的突破口。     

等离子喷涂热障涂层高温 TGO 的形成与生长研究

目的研究热障涂层(TBC)和纯粘结层(BC)在1100℃下的氧化动力学,探讨热障涂层中热生长氧化物(TGO)组织结构的演化规律。方法运用大气等离子喷涂技术(APS)制备涂层,对比分析热障涂层和纯粘结层涂层在1100℃下等温氧化2,5,10,20,50,100,200,350 h后TGO的厚度变化,并对粘结层表面和热障涂层截面分别进行XRD和SEM分析。结果热障涂层和纯粘结层在1100℃下的氧化动力学均遵循抛物线规律,其氧化速率常数分别为0.344,0.354μm/h0.5。等温氧化5 h后,TGO的主要成分为α-Al2O3;随氧化时间的增加,生成Cr2O3、尖晶石、Co O和Ni O的混合氧化物;等温氧化100 h后,Co O消失,Ni O的含量减少,Cr2O3和尖晶石氧化物的含量增加;等温氧化350 h后,TGO中出现了裂纹,但涂层仍未剥落,TGO最终由顶层多孔的混合氧化物层和底层具有柱状晶结构的α-Al2O3层组成。结论顶层陶瓷层(TC)对热障涂层氧化速率常数的影响很小。TGO中α-Al2O3首先形成并以柱状结晶的方式生长,混合氧化物在α-Al2O3上形成,TGO生长速度逐渐变缓。     

Mar-M247高温合金900℃下的氧化行为研究

为探究燃气轮机用高温合金在服役环境中组织结构变化及其对合金氧化性能的影响,利用扫描电镜和能谱表征了MarM247镍基高温合金在900℃长时效后的显微组织,研究其在1000、3000、5000、8000h时效后的氧化性能。结果表明,时效1000h的氧化初期合金表面氧化物相变化较快,Al₂O₃氧化膜不完整,氧化膜增厚较快;随着氧化时间增加,富W氧化膜内生成大量孔洞和岛状不连续WO2,导致内层Al₂O₃膜界面发生剥落,外层氧化膜结构得到简化,内层Al₂O₃膜增厚且变得均匀;时效8000h后氧化层总厚度和内层Al₂O₃膜变化幅度明显减小,整个氧化膜结构趋于稳定。由于内层保护性Al₂O₃膜的增厚和结构均匀连续,使得合金的氧化性能提高。     

粘结层粗糙度对YSZ涂层热震性能的影响

目的 提高YSZ涂层的服役寿命.方法 采用火焰喷涂和等离子喷涂的方法,在GH4169高温合金上分别制备NiCoCrAlY粘结层和8YSZ陶瓷层.在制备陶瓷层之前,通过低压喷砂的方法对粘结层表面进行处理,改变粘结层的表面粗糙度.利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、3D测量激光显微镜,表征涂层的物相、微观形貌和表面粗糙度.使用马弗炉进行1100℃的热震实验,表征YSZ涂层的热震性能.结果 通过喷涂方法制备的粘结层,表面较为粗糙,喷砂处理后,有效地改善了表面情况,表面粗糙度下降了1～3μm.随着热震实验的进行,陶瓷层和粘结层中间形成的热生长氧化物(TGO)不断增厚.喷砂处理后,涂层的氧化速率降低.热震实验后,涂层边缘处会萌生微裂纹,随着裂纹的累积扩展,最终贯通,形成局部的涂层剥离.失效前后,YSZ没有相变发生.结论 涂层失效多发生在TGO界面处,粘结层的高温氧化引起TGO层生长增厚,会导致涂层的失效.平整的TGO生长界面可以减少接触面,降低粘结层的氧化速率.平整界面可以避免局部起伏造成的TGO过度生长.经过表面喷砂处理改善粘结层粗糙度的涂层,具有更优异的抗热震性能.TGO层的形成和生长,容易导致微裂纹的萌生和扩展.粘结层表面处理后,能够为TGO的形成和生长提供相对平整的界面,有效提高TGO的质量,进而提高涂层的抗热震性能.     

一种镍基单晶高温合金的恒温氧化行为

通过静态增重法对一种镍基单晶高温合金在900℃和1000℃的恒温氧化行为进行了测定,并利用X射线衍射和扫描电镜对氧化产物进行了分析。结果表明,该合金在900℃和1000℃均为完全抗氧化级,900℃的氧化速率明显低于1000℃的氧化速率。合金的氧化产物以(Ni,Co)O为主,并形成了较多的α-Al₂O₃ 和较少量的Cr₂O₃,同时形成了CrTaO₄及（Ni,Co）Al₂O₄和 Co(Al,Cr)₂O₄等尖晶石氧化物。氧化物呈层状分布,(Ni,Co)O在最外层,而Al₂O₃在内层。另外,在靠近α-Al₂O₃层的合金基体中出现了内氮化物。     

多相Ni3Al基高温合金微区氧化行为

以多相Ni₃Al基高温合金为对象，通过热处理得到了3种微区结构：枝晶干γ’+γ两相区、枝晶间β相和包裹着枝晶间β相的γ’包覆层，研究了不同微区组织在1000℃的等温氧化行为。3个微区在氧化初期呈现出不同的氧化行为：γ’包覆层处为明显的双层氧化膜结构，呈现胞状凸起，外部是混合层(Ni O、Ni Fe₂O₄和Al₂O₃)，内部为单一Al₂O₃层，而枝晶干γ’+γ两相区和枝晶间β相形成单层Al₂O₃膜。随着等温氧化时间的延长，由于晶格扩散占据主导地位，不同微区氧化膜厚度差显著缩小，3个微区的氧化膜组成逐渐趋于一致，形成致密单一的Al₂O₃层。     

Y2O3 对DZ125合金表面Cr-Al-Y渗层的组织结构及抗氧化性能影响

为进一步提高DZ125合金高温服役性能,通过扩散渗方法在其表面制备了稀土元素Y改性的Cr-Al共渗层,研究了Y₂O₃含量对渗层组织结构及抗高温氧化性能的影响。结果表明：不同条件下制备的Cr-Al-Y渗层均具有三层结构,由外向内依次为：Cr+Ni₃Cr₂外层,Ni₃Cr₂+Al₁₃Co₄中间层,以及Ni₃Al内层。当渗剂中Y₂O₃含量为0%～2%(质量分数,下同)时,渗层的厚度与密度显著增加;当稀土Y₂O₃的添加量过高时(5%),渗层的密度及厚度反而下降。1100℃高温氧化实验表明,Cr-Al-Y渗层显著提高了DZ125合金的抗高温氧化性能。     

粘结层预处理对PS-PVD沉积7YSZ热障涂层氧化行为的影响

目的提高PS-PVD沉积7YSZ热障涂层的抗高温氧化性能。方法采用等离子喷涂-物理气相沉积(PS-PVD)分别在未预处理和预处理(抛光+预氧化)的粘结层表面制备了柱状结构7YSZ热障涂层,并在大气环境下测试了柱状结构7YSZ热障涂层的950℃静态高温氧化性能。利用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、能谱仪对高温氧化过程中的陶瓷层/粘结层界面形貌、TGO层结构演变进行表征。结果粘结层的抛光处理能够降低表面几何受力不均匀部位,抑制陶瓷层/TGO/粘结层界面处微裂纹的产生,同时粘结层的预氧化处理形成的薄而连续的TGO层能有效降低TGO的生长速度,抑制陶瓷层-粘结层之间的元素互扩散。柱状结构7YSZ涂层的高温氧化动力学曲线符合Wagner抛物线规律,粘结层未预处理和预处理的7YSZ热障涂层的氧化速率常数分别为0.101×10~(-12) cm~2/s和0.115×10~(-13) cm~2/s。结论粘结层预处理能有效改善等离子物理气相沉积7YSZ热障涂层的抗氧化性能。     

激光重熔对Al2O3-40% TiO2等离子喷涂层耐冲蚀性能的影响

利用等离子喷涂方法制备Al₂O₃-40% TiO₂涂层,对涂层进行激光重熔处理.分别对等离子喷涂层和激光重熔涂层进行耐冲蚀磨损性能试验,研究了激光重熔对Al₂O₃-40% TiO₂等离子喷涂层耐冲蚀性能的影响.结果表明,激光重熔消除了Al₂O₃-40% TiO₂等离子喷涂层的层状结构,使得等离子喷涂层中γ-Al₂O₃转变为α-Al₂O₃,形成了α-Al₂O₃+TiAl₂O₅稳定结构.激光重熔后的涂层组织致密均匀、硬度高,具有冶金结合特征,使得耐冲蚀性能得到极大提高,其磨损特征为冲蚀粒子冲击作用下产生的裂纹、破碎与块状剥落.     

超音速火焰喷涂NiCoCrAlY/Al2O3复合涂层的抗氧化性能

采用喷雾造粒、化学冶金包覆和固相合金化技术制备了NiCoCrAlY/Al₂O₃复合粉体,并采用超音速火焰喷涂技术制备了NiCoCrAlY/Al₂O₃复合涂层。采用SEM、XRD和马弗炉对该涂层和粉体的显微结构和抗氧化性能进行了研究。结果表明,Al₂O₃颗粒表面均匀致密的包覆着一层NiCoCrAlY合金,NiCoCrAlY/Al₂O₃复合粉体呈球形,颗粒大小均匀。超音速火焰喷涂NiCoCrAlY/Al₂O₃复合涂层与基体结合良好,涂层孔隙率仅为（0.41±0.05）%。涂层抗氧化性能良好,氧化动力学曲线分为3个阶段：大斜率直线阶段,系数较小的抛物线阶段和斜率几乎为零的直线阶段。涂层在850 ℃氧化96 h以后,涂层氧化增重为2.5 mg·cm^-2左右。复合涂层中氧化物膜的形成和Al₂O₃硬质相的加入是涂层抗氧化性能提高的主要原因。     

DZ445镍基高温合金高温长时间氧化形成的多层膜结构

研究了高Cr/Al比和中Ta含量的DZ445镍基高温合金在900℃下300～2600 h的氧化行为。结果表明,900℃氧化≥500 h,氧化膜呈现多层结构,最外层氧化物相为NiCr₂O₄、Cr₂O₃和TiO₂,次外层为CrTaO₄和TiO₂,次内层为Al₂O₃、NiCr₂O₄和NiO,最内层主要是Al₂O₃。次外层和次内层的出现使得合金氧化速率降低,表现为动力学方程的指数大幅度增加和氧化速率常数急剧下降。这2层的出现也使得合金氧化机理发生转变,次外层形成后氧化过程由合金元素Cr、Ti、Ni向外扩散转变为由Al的向外扩散和O的向内扩散所控制;次内层形成后,氧化过程转变为Ni、Cr的向外扩散和O的向内扩散所控制。这种多层氧化膜结构使得DZ445合金表现出优异的抗氧化能力。     

一种钴基耐磨材料的高温氧化行为研究

研究了NbC颗粒增强钴基耐磨材料在950～1050℃空气中的氧化行为。合金在950℃下属于抗氧化级，1000℃下属于次抗氧化级，1050℃下属于弱抗氧化级，氧化动力学曲线基本符合抛物线规律。合金表面形成由CoCr₂O₄、CoNb₂O₆、Cr₂O₃和Al₂O₃组成的混合氧化物层，基体中块状NbC的优先原位氧化行为造成氧化层厚度不均匀且疏松多孔。经过1050℃，100 h氧化后，氧化层下方基体中形成贫Cr层，导致氧化皮剥落后无法重新形成具有保护作用的连续氧化膜。     

NiCoCrAlY粘结层喷涂工艺对8YSZ热障涂层抗氧化性能的影响

目的 提高热障涂层粘结层的抗高温氧化性能。方法 分别采用爆炸喷涂和等离子喷涂工艺制备了不同结构的NiCoCrAlY粘结层,之后通过等离子喷涂制备8YSZ陶瓷层,分析了两种粘结层结构的热障涂层的抗高温氧化性能。利用XRD、SEM和EDS对涂层物相、微观结构和成分进行分析,并对其与基体结合状态、抗高温氧化性能进行研究。结果 爆炸喷涂粘结层内部组织致密,缺陷较少,与基体结合处孔隙少;而等离子喷涂粘结层内部的层状特征明显,孔隙较多,表面粗糙度较低。爆炸喷涂粘结层氧化5 h后,表面生成了一层富Al2O3的致密氧化物膜;而等离子喷涂粘结层表面形成了富NiO、CoO、Cr2O3和Ni(Cr,Al)2O4的氧化物层,并出现了许多微裂纹和片层状氧化物。爆炸喷涂制备的热障涂层试样在前5 h氧化增重速率高于等离子喷涂试样,随后变平缓,而等离子喷涂试样氧化速率依然较高。爆炸喷涂热障涂层的热生长氧化物层（Thermally grown oxide, TGO）经50 h氧化后,仍呈连续状,厚度均匀,粘结层内氧化物缺陷较少。结论 爆炸喷涂粘结层组织均匀、致密,喷涂时涂层的氧化以及热处理的内氧化较少,使得足够的Al较快速地在粘结层表面形成致密的氧化铝,表面一定厚度的氧化铝层抑制了氧和其他金属原子的相向扩散反应,提高了涂层的抗高温氧化性能。