航空发动机热障涂层的CMAS腐蚀与防护研究进展

热障涂层（TBCs）广泛应用于先进航空发动机热端部件,可以有效提高发动机的工作效率和服役温度。随着发动机涡轮前进口温度不断提高以及工业生产和人类活动愈加频繁,TBCs面临严峻的CMAS腐蚀问题。目前CMAS腐蚀已经成为制约TBCs应用和发展的关键因素,如何提高TBCs的CMAS防护能力是TBCs领域的研究热点和难点。针对此问题,对不同类型CMAS的室温和高温特性进行总结,深入分析CMAS作用下TBCs的失效机制,总结TBCs的CMAS防护方法,综述TBCs的CMAS腐蚀与防护研究进展。结果表明,不同CMAS（如火山灰、沙石和灰尘等）的化学成分（质量分数）差异明显,影响了其高温黏度和熔化行为;高温下熔融CMAS渗入到涂层内部并与之发生化学反应,破坏了涂层的结构和性能稳定性,造成涂层失效;提出了增加惰性防护层、YSZ材料掺杂改性和研发新材料等方法,以提高TBCs的CMAS防护能力。最后对未来的CMAS防护新方法进行展望,对超高温长寿命TBCs的研制提供理论支撑。     

热障涂层研究进展

综述了热障涂层的设计思想和工作原理、部分稳定氧化锆陶瓷面层成分的选择、热障涂层制备方法及ＡＰＳ和ＥＢ－ＰＶＤ制备热障涂层的典型结构,分析热障涂层高温氧化等引起涂层破坏的因素。     

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。     

燃气轮机热障涂层的研究现状与发展趋势

综述了热障涂层的原理、作用、组成和制备方法、失效模式等方面的研究现状,在此基础上探讨了热障涂层的发展趋势.     

热障涂层抗腐蚀研究进展

腐蚀是燃气轮机涡轮叶片Y2O3稳定ZrO2(YSZ)热障涂层失效的主要原因.本文系统总结了YSZ热障涂层服役过程中面临的腐蚀环境:高温相变、烧结与氧化腐蚀,Na2SO4和V2Os熔盐腐蚀,以及熔融钙镁铝硅酸盐玻璃(CMAS)腐蚀.分析了YSZ热障涂层腐蚀机理,讨论了提高热障涂层抗腐蚀性能的理论和方法,指出了热障涂层抗腐蚀研究发展方向.     

防CMAS腐蚀热障涂层开裂的研究现状

针对热障涂层在服役过程中受CMAS(Ca O-Mg O-Al2O3-Si O2)腐蚀而造成的表层剥落及层间易开裂问题,探讨总结了CMAS对于热障涂层的腐蚀机理,指出目前所用方法存在的不足,因此急需研究抗CMAS腐蚀的新材料系统和相关工艺。开裂失效是热障涂层主要的失效形式,通过降低氧化层的氧化速度和增加陶瓷层的韧性,能有效延长涂层的使用寿命。基于对涂层结构复杂性的分析,可知涂层需从宏观、细观、微观三个角度进行表述,因此合理运用跨尺度理论对于分析涂层结构等问题有着较为重要的意义。为此提出开发防CMAS渗入的细观增韧的热障涂层,并进一步从跨尺度角度进行开裂分析。研究结果对于丰富涂层增韧途径、增强抗腐蚀性能,保障热障涂层乃至航空发动机的安全平稳运行具有重要的理论意义和工程应用价值。     

航空发动机热障涂层的CMAS腐蚀行为与防护方法

热障涂层(thermal barrier coatings,TBCs)是航空发动机涡轮叶片的关键核心技术之一,可显著提高发动机工作温度,提升发动机推力和工作效率;但另一方面,更高的发动机工作温度使得叶片及其表面TBCs遭受严重的环境沉积物(主要成分为CaO、MgO、Al2O3和SiO2,简称CMAS)腐蚀,造成过早失效.CMAS腐蚀已成为限制TBCs工作温度和服役寿命的难题,抗腐蚀防护是目前TBCs领域研究的重点.本文首先综述了学者们对TBCs CMAS腐蚀问题的认识历程以及CMAS本身特性,再简述了TBCs的CMAS腐蚀机理,重点从TBCs的表面防护层设计、涂层成分改性、新型抗腐蚀涂层材料开发以及涂层结构设计等方面阐述了国际上目前TBCs的抗CMAS腐蚀防护方法,最后对TBCs的超高温环境应用及腐蚀防护发展方向进行了展望.     

CMAS、CMAS+NaVO3、CMAS+海盐作用下热障涂层的腐蚀行为与机理

环境沉积物(CaO-MgO-Al₂O₃-SiO₂,CMAS)的高温腐蚀已成为航空发动机涡轮叶片热障涂层过早失效的重要原因之一。然而涡轮叶片工作环境复杂,熔盐、海盐常与CMAS耦合,一起对热障涂层造成多元复杂腐蚀,但目前关于CMAS与盐类的多元耦合腐蚀行为鲜有报道。针对Y₂O₃部分稳定ZrO₂(YSZ)热障涂层在CMAS、CMAS+NaVO₃、CMAS+海盐作用下的腐蚀行为进行对比研究。通过XRD、SEM等方法对不同条件下腐蚀后的涂层进行表征,并分析热处理温度、腐蚀物种类对腐蚀行为的影响。结果表明：与CMAS相比,CMAS+NaVO₃、CMAS+海盐会在更低的温度下损伤涂层(1 200℃)。当三种腐蚀物均能完全熔化时(1 250℃),CMAS+NaVO₃、CMAS+海盐熔体则由于更大的流动性而大量渗入,腐蚀内部涂层。其中,CMAS+海盐熔体在涂层内的渗透性最强,1 250℃热处理4 h后,渗透...     

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。     

EB-PVD在热障涂层中的失效研究分析

电子束物理气相沉积（EB-PVD）是航空发动机涡轮叶片热障涂层（TBCs）的先进制备技术。随着EB-PVD TBCs的深入研究,TBCs失效也引起了众多研究者的重视。对EB-PVD TBCs的TGO（热生长氧化物）生长失效和CMAS（钙、镁、铝和硅酸盐）高温侵蚀失效两种主要机制进行了总结,分析了其失效机制和影响因素,以期为EB-PVD在TBCs中的应用提供理论基础。     

Next Generation Thermal Barrier Coatings for the Gas Turbine Industry

The aim of this study is to develop the next generation of production ready air plasma sprayed thermal barrier coating with a low conductivity and long lifetime. A number of coating architectures were produced using commercially available plasma spray guns. Modifications were made to powder chemistry, including high purity powders, dysprosia stabilized zirconia powders, and powders containing porosity formers. Agglomerated & sintered and homogenized oven spheroidized powder morphologies were used to attain beneficial microstructures. Dual layer coatings were produced using the two powders. Laser flash technique was used to evaluate the thermal conductivity of the coating systems from room temperature to 1200 °C. Tests were performed on as-sprayed samples and samples were heat treated for 100 h at 1150 °C. Thermal conductivity results were correlated to the coating microstructure using image analysis of porosity and cracks. The results show the influence of beneficial porosity on reducing the thermal conductivity of the produced coatings.     

Failure Analysis of Multilayered Suspension Plasma-Sprayed Thermal Barrier Coatings for Gas Turbine Applications

Improvement in the performance of thermal barrier coatings (TBCs) is one of the key objectives for further development of gas turbine applications. The material most commonly used as TBC topcoat is yttria-stabilized zirconia (YSZ). However, the usage of YSZ is limited by the operating temperature range which in turn restricts the engine efficiency. Materials such as pyrochlores, perovskites, rare earth garnets are suitable candidates which could replace YSZ as they exhibit lower thermal conductivity and higher phase stability at elevated temperatures. The objective of this work was to investigate different multilayered TBCs consisting of advanced topcoat materials fabricated by suspension plasma spraying (SPS). The investigated topcoat materials were YSZ, dysprosia-stabilized zirconia, gadolinium zirconate, and ceria–yttria-stabilized zirconia. All topcoats were deposited by TriplexPro-210^TM plasma spray gun and radial injection of suspension. Lifetime of these samples was examined by thermal cyclic fatigue and thermal shock testing. Microstructure analysis of as-sprayed and failed specimens was performed with scanning electron microscope. The failure mechanisms in each case have been discussed in this article. The results show that SPS could be a promising route to produce multilayered TBCs for high-temperature applications.     

镍基合金涡轮叶片热障涂层研究进展

热障涂层技术是提升航空发动机性能的关键因素之一,随着航空发动机技术的发展,对热障涂层也提出了更高的要求。为适应镍基合金涡轮叶片热胀涂层的使用要求,热胀涂层的陶瓷面层发展出（YSZ+A2B2O7）结构涂层。热障涂层陶瓷面层常用的制备方法包括等离子喷涂技术和电子束物理气相沉积技术,金属粘结层常用的制备方法包括真空电弧镀技术和化学气相沉积技术。热障涂层低膨胀系数金属粘结层技术、热障涂层修复技术、新一代热障涂层材料、建立科学的热障涂层性能评价体系等是未来热障涂层的主要发展方向。     

氧化锆基热障涂层陶瓷材料的研究进展

热障涂层是一种高温防护涂层,由于其应用的重要性和广泛性,已成为近年来涂层研究领域的热点之一.本文简要概述了国内外热障涂层陶瓷近年来的研究状况和发展趋势:目前最广泛使用的是Y2O3稳定ZrO2热障陶瓷材料(YSZ),而烧绿石结构的稀土锆酸盐和稀土氧化物是今后前景非常好的热障涂层材料.     

新型锆酸盐基热障涂层材料的研究进展

简要回顾了传统7±1 %Y_2O_3稳定的ZrO_2(YSZ)热障涂层的研究现状,指出YSZ涂层在高温热循环下存在着相变,抗烧结能力差等缺点.鉴于新型稀土锆酸盐系列由于具有热导率低、抗烧结能力强等优点而被认为有望作为新一代热障涂层候选材料,重点概述了目前国内外在这种热障涂层材料的陶瓷块体制备及涂层材料方面的研究现状,并进一步探讨了未来新型稀土锆酸盐基热障涂层的发展方向.     

热障涂层先进结构设计研究进展

随着航空航天技术的不断发展,不断提高的涡轮前进口温度及恶劣的使用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,降低合金表面的温度。概述了采用传统单层层状氧化钇部分稳定氧化锆热障涂层的优势,包括较低的制备成本、便捷的制备方式及较低的层间热膨胀失配应力。同时,归纳了单层层状热障涂层在高温环境下存在的问题,包括氧化锆相变与烧结造成的涂层失效,以及热膨胀系数和断裂韧性较差的新型陶瓷材料无法直接制备在黏结层表面。在此基础上重点综述了近年来热障涂层先进结构设计的研究进展,包括双层层状结构、柱状结构、垂直裂纹结构及复合结构热障涂层,其中复合结构包括激光表面改性结构、梯度涂层结构及粉末镶嵌结构热障涂层。针对各种先进结构热障涂层,分别从微观结构、热震寿命、涂层内部应力、耐腐蚀性能、抗氧化性能等方面进行了归纳,并总结了各先进结构热障涂层现阶段发展的不足之处。最后展望了热障涂层先进结构设计的发展方向。     

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。     

热障涂层太赫兹无损检测技术研究进展

太赫兹技术是近年来兴起的一种先进无损检测方法,因其优异的非接触、非电离、高精度和可实现自动化在线检测等技术优势,目前已经在热障涂层性能评价和寿命预测方面展现出巨大的潜力。简要介绍了热障涂层太赫兹无损检测技术的发展概况,分别从陶瓷厚度测量,TGO和冲蚀监测,孔隙、裂纹及应力状态表征方面进行重点分析和总结。指出目前利用太赫兹技术进行单层和多层陶瓷顶层厚度的监测技术已经较为成熟,可以逐步推广到工程应用中。在TGO监测方面,围绕利用太赫兹时域反射峰的时间差和振幅衰减进行TGO厚度监测取得了一定进展,但是检测精度有待进一步提高。在冲蚀监测方面,已经可以较为精确地对冲蚀造成的减薄进行定量检测,不过虽然已经可以对涂层内部渗入的CMAS进行定性判定,但是定量表征方面尚缺乏试验研究。在孔隙监测方面,探索了孔隙率大小对热障涂层的太赫兹频段光学参数变化的影响,提出相对展宽比是在孔隙率测量方面较折射率、消光系数和介电常数,既保留较高测量精度又兼具工程实用性的表征参量,但是目前对孔隙的微结构特征缺乏全方面表征。在裂纹监测方面,通过小波降噪及频域加Hanning窗函数滤波进行反卷积处理,已经可以分辨平行裂纹的位置和宽度,但是对于多条裂纹的监测尚有难度。在应力状态表征方面,发现折射率的改变与应力变化呈现线性关系,并且根据折射率的变化可以反推出光学应变系数,进而获取应力情况,但是目前反射式测量系统还需要进一步开发。最后针对目前热障涂层太赫兹无损检测技术应用现状、存在的问题及未来发展方向进行了总结和展望。