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。     

等离子喷涂热障涂层热震失效过程及残余应力分析

采用等离子喷涂技术在高温合金上制备了热障涂层(粘接层为NiCoCrAlY,陶瓷层为ZrO2-8%Y2O3),利用扫描电镜(SEM)、拉曼光谱(RFS)等试验手段研究了热障涂层热震失效的过程及残余应力大小和分布状态。结果表明:150次热循环后,陶瓷层和热生长氧化物(TGO)生成裂纹,其中陶瓷层的裂纹已扩展至TGO;350次热循环后,出现贯通陶瓷层与金属过渡层的纵向裂纹,涂层局部出现剥离,剥离位置位于TGO与陶瓷层界面;拉曼光谱(RFS)分析结果显示TGO内应力水平分布不均,局部厚大区和凸凹处残余应力较大,是裂纹萌生、扩展的主要部位。     

基体预热温度对热障涂层热残余应力影响的研究

研究了用等离子喷涂工艺制备ZrO2-NiCrAl-LD-8基体的热障涂层过程中,基体预热温度对热障涂层热残余应力的影响.通过有限元计算分析,表明选择合适的基体温度,能大大降低热障涂层的热残余应力,为喷涂制备过程中基体预热温度的选择提供了参考.     

热生长下热障涂层残余应力及失效分析

针对典型热障涂层结构以界面开裂和涂层剥落为主要失效模式,考虑界面凹凸微观形貌特征,借助材料转换的方法实现氧化生长,利用粘弹塑性有限元法,研究了氧化层热生长和蠕变等因素对热障涂层残余应力的影响,并从应力应变循环演化的角度对热障涂层系统中微裂纹的萌生位置进行了预测。结果表明,随着氧化层厚度的增大,垂直于界面方向的残余应力迅速增大;材料蠕变对热障涂层系统应力释放作用显著;从残余应力和应变演化的角度进行评价,结构中的微裂纹会率先出现在粘接层凸峰以及陶瓷层/氧化层/黏结层界面的中间位置,仿真分析结果与试验结果一致。     

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.     

热障涂层TGO层的残余应力分析

用HVOF(CoNiCrAlY)+SFPB+APS(8YSZ)制备热障涂层,经1000℃高温氧化2,26,310h后,用EDS和拉曼荧光光谱对涂层进行分析。高温氧化2h,首先生成的是γ-Al2O3,此后,γ-Al2O3向α-Al2O3转化。拉曼荧光光谱检测和理论计算表明,高温氧化过程中,TGO中的微观热生长残余应力先增加后降低,310h高温氧化后微观热生长残余应力比26h高温氧化后的低0.476GPa。SFPB技术使粘结层表层区域产生扩散通道,高温氧化的瞬态阶段,大量比Al3+半径大的其它离子通过此扩散通道,抑制了γ→θ→α的相变。最终形成了以α-Al2O3为主相的TGO抗高温氧化层。     

热障涂层高温氧化生长应力预测

基于Clark氧化生长应变率理论和Wagner氧化模型给出了涂层高温生长应力公式,计算预测了热障涂层中氧化生长应力随时间的演化规律;利用光致发光分析技术对氧化层的应力进行了实验测试,并对两种结果进行了比较和分析。结果表明,本文给出的热障涂层高温氧化生长应力模型预测与实验结果符合     

真实TGO界面形貌对热障涂层界面应力的影响

采用MSC.MARC有限元分析软件,以真实服役的某重型燃气轮机透平第一级动叶片表面热障涂层为研究对象,研究真实TGO界面形貌对热障涂层界面应力的影响。结果表明:在TC/TGO界面的TC层中,法向应力σ₂₂分布中的拉应力位于波谷区域,压应力位于波峰区域,而在BC/TGO界面的BC层中,σ₂₂应力分布与TC层相反;TC层与BC层的剪切应力σ₁₂分布规律相同,均是波谷左侧的应力方向为负,波谷右侧的应力方向为正。TGO界面的波峰和波谷处的法向应力σ₂₂值随TGO厚度的增大而增加;当TGO厚度不变时,BC/TGO界面振幅增大,TGO内和BC内的法向应力σ₂₂值也随之增大。     

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。     

Numerical modeling of short crack behavior in a thermal barrier coating upon thermal shock loading

The behavior of microstructurally short inherent cracks within a preoxidized thermal barrier coating system upon thermal shock loading is considered. A thin alumina oxide layer holding residual stresses was induced at the ceramic/metal interface to simulate thermally grown oxide on the bond coat. Undulation of the oxidized bond coat was modeled as a sinusoidal surface. The variations of the stress-intensity factors of inherent centrally located cracks and of edge cracks were calculated during the thermal cycling. The instant crack shapes during the first thermal cycle and at steady state were investigated. It was found that oxide layer thickness, crack tip location, as well as interfacial undulation are factors influencing the risk of crack propagation. It was also found that an edge crack constitutes a greater threat to the coating durability than a central crack. The propagation of an edge crack, if it occurs, will take place during the first load cycle, whereas for a central crack, crack tip position decides the risk of crack propagation.     

超音速颗粒轰击处理对MCrAlY涂层TGO生长的影响

采用超音速火焰喷涂方法在镍基高温合金(GH99)上制备了MCrAlY涂层,并进行超音速颗粒轰击处理,研究了超音速颗粒轰击工艺对MCrAlY涂层显微结构和热生长氧化物(TGO)的影响.结果表明,通过表面轰击处理,增加了涂层中Al元素的扩散通道;高温氧化过程中MCrAlY涂层表面很快形成连续致密的Al2O3膜,保护了Ni,Cr等元素避免被氧化,从而避免了Ni(Cr,Al)2O4,NiO等大颗粒氧化物的生成;这样减少了涂层中的裂纹产生和扩展的可能性,从而提高涂层抗高温氧化性能.     

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-YSZ热障涂层的热循环寿命,一方面是由于真空热处理后在APS-NiCoCrAlY/APS-YSZ界面上形成连续的TGO层受到了抑制,降低了由TGO产生的应力开裂,另一方面真空热处理后的涂层热循环时在APS-NiCoCrAlY的内部产生了更多的氧化物,在一定程度上降低了APS-NiCoCrAlY的热膨胀系数,减少了由APS-NiCoCrAlY/APS-YSZ热膨胀系数不匹配造成的应力开裂。并且低真空热处理的涂层内部失效裂纹没有像高真空热处理的涂层那样均匀连续扩展。     

Thermal shock testing of thermal barrier coating/bondcoat systems

Various methods of thermal shock testing are used by aircraft and industrial gas turbine engine (IGT) manufacturers to characterize new thermal barrier coating systems in the development stage as well as for quality control. The cyclic furnace oxidation test (FCT), widely used in aircraft applications, stresses the ceramic/bondcoat interface, predominantly through thermally grown oxide (TGO) growth stress. The jet engine thermal shock (JETS) test, derived from a burner rig test, creates a large thermal gradient across the thermal barrier coating (TBC), as well as thermomechanical stress at the interface. For IGT applications with long high-temperature exposure times, a combination of isothermal preoxidation and thermal shock testing in a fluidized bed reactor may better represent the actual engine conditions while both types of stress are present. A comparative evaluation of FCT, JETS, and a combined isothermal oxidation and fluidized bed thermal shock test has been conducted for selected ceramic/bondcoat systems. The results and the failure mechanisms as they relate to the TBC system are discussed. A recommendation on the test method of choice providing best discrimination between the thermal shock resistance of the ceramic layer, the ceramic/bondcoat interface, and even substrate related effects, is given. This paper was presented at the 2nd International Surface Engineering Congress sponsored by ASM International, on September 15–17, 2003, in Indianapolis, Indiana, and appeared on pp. 520–29.     

The effect of pre-oxidation atmosphere on the durability of EB-PVD thermal barrier coatings with CoNiCrAlY bond coats

The effects of pre-oxidation heat treatment on oxidation behavior and thermal cycle life of electron-beam physical deposited (EB-PVD) thermal barrier coatings (TBCs) with CoNiCrAlY bond coats were investigated as a function of the pO₂ of the pre-oxidation atmosphere. The pO₂ of the pre-oxidation atmosphere was controlled by using a solid-state electrochemical oxygen pump system. The purity and microstructure of the continuous Al₂O₃ layer formed on the bond coat during pre-oxidation at 1050 °C were highly influenced by the pO₂ of the atmosphere. High purity α-Al₂O₃ with large grain size was formed on the bond coats under a pO₂ of 10^− 12-10^− 9 Pa, which resulted in a lower growth rate of TGO and longer lifetime.     

热障涂层高温TGO生长变化

通过Abaqus有限元分析软件对热障涂层在高温氧化过程中的热氧化物层(themally growth oxide,TGO)生长机制进行研究.结果表明,当高温氧化到100 h时,TGO厚度由初始的0.5μm生长至6.7μm且在不同位置TGO的厚度略微不同.随着高温时间的增加,热障涂层在TGO的波峰、波谷以及涂层边界处容易出现应力较大值,且和周围材料相比应力明显较大,此时,这些位置容易达到材料开裂临界应力,形成裂纹萌生点,使得涂层失效.在高温氧化过程中,涂层吸收总能量为43.6 J,其中少部分转化为涂层变形所消耗的能量,剩下的能量为高温氧化过程中涂层成分改变,微观组织改变以及裂纹萌生扩展提供能量.     

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...     

超音速颗粒轰击处理对MCrAlY涂层氧化行为的影响

采用等离子喷涂(atmospheric plasma spraying,APS)技术在镍基高温合金(GH99)上沉积MCrAlY粘结涂层,并进行超音速颗粒轰击处理.研究超音速颗粒轰击工艺对MCrAlY涂层高温氧化性能的影响.利用扫描电镜、X射线衍射仪、辉光光谱仪对涂层的氧化物演化过程进行观察和分析.结果表明,表面超音速颗粒轰击处理后,涂层表面所生成的氧化物较细小,能快速形成致密连续的氧化膜,保护了粘结层中其它元素的进一步氧化,避免了Ni(Cr,Al)2O4等大颗粒氧化物的形成,延缓了涂层中裂纹的产生和扩展,有效地改善了涂层抗高温氧化性能.