黏结层粗糙度对热障涂层高温氧化及力学性能的影响（英文）EI北大核心CSCD

采用超音速火焰喷涂(HVOF)在高温合金K4169上制备了NiCoCrAlYTa黏结层,使用不同粒度的氧化铝对黏结层进行喷砂预处理制备出了不同粗糙度的黏结层,再通过大气等离子喷涂(APS)在不同粗糙度的黏结层上制备了ZrO2–7%Y2O3(7YSZ)热障涂层(TBCs)。对不同粗糙度的黏结层表面采用体视镜进行观察分析;并对不同粗糙度下制备的热障涂层的高温氧化性能、热震性能、表面硬度、结合强度等进行了测试以及对它们的变化规律进行了对比分析。此外,对热震失效后热障涂层的黏结层与陶瓷层界面进行了残余应力分析,计算了热生长层(TGO)裂纹尖端应力场强度(K)。研究结果表明:黏结层粗糙度越大,热障涂层中黏结层的氧化质量增加,黏结层与陶瓷层界面残余应力增加;当黏结层粗糙度为3.52μm时,热障涂层有最优的综合性能,其中结合强度和热震次数分别为57 MPa和52次(950℃到22℃循环)。     

热障涂层体系中各界面失效行为的研究进展

主要介绍了关于高温合金表面热障涂层体系中界面失效行为的研究进展,针对热障涂层中的基体/粘结层界面、粘接层/TGO界面和TGO/陶瓷层界面,进行了高温服役过程中的退化失效及结构演变行为分析,提出了影响热障涂层界面性能的研究重点和方向。     

热障涂层在热载荷下的高温氧化和热烧蚀性能研究

热障涂层具有良好的隔热性能,保护高温合金基底正常工作,提高部件工作寿命。由于涂层部件服役于高温环境,会产生热烧蚀并发生高温氧化等作用,造成涂层表面裂纹的产生,甚至涂层/基底的界面破坏,缩短部件使用寿命。所以研究热障涂层体系在热载荷下的破坏行为极其重要。通过设计试样在相同温度下不同氧化时间的研究实验。结果表明热生长氧化层成分主要是Al的氧化物,其厚度与氧化时间的关系服从抛物线规律(氧化动力学曲线);对高温氧化后的试样进行纳米压痕实验,发现随着氧化时间的增加,涂层的弹性模量和硬度都会增加并趋于稳定。     

热冲击下含椭圆形裂纹热障涂层热力耦合分析

针对局部受强瞬态热冲击作用下的含椭圆形裂纹的三层热障涂层系统,采用L-S型(Lord和Shulman)广义热弹性理论,建立二维热力耦合方程组及相应边界条件,初始条件和连续性条件。对涂层系统的温度场和应力场数值计算表明:热波到达裂纹时,裂纹尖端附近的温度和应力均产生突变。当裂纹在陶瓷层中或在陶瓷层和氧化层界面时,热波在裂纹面上会产生反射和透射现象;同时压应力突变为拉应力,在陶瓷层和氧化层中产生热失配效应。     

悬浮液等离子喷涂YSZ/GZ热障涂层的等温氧化性能研究

采用悬浮液等离子喷涂(SPS)分别制备8%氧化钇稳定氧化锆(8%Y_2O_3-ZrO_2,8YSZ)热障涂层和以8YSZ为陶瓷层底层,顶层为GZ(Gadolinium Zirconate)的双陶瓷层热障结构(YSZ/GZ)。在大气环境箱式电阻炉中1150℃下对两种热障涂层进行了10 h、50 h和100 h时长的等温氧化处理,通过对高温氧化前后质量和孔隙率变化分析了两种涂层的抗氧化性和烧结现象,采用扫描电子显微镜和能谱仪观察分析了涂层不同等温氧化时长下的微观组织变化和热生长氧化层(TGO)的元素构成,通过X射线衍射分析了氧化前的相的组成。结果表明:双陶瓷层热障结构具有更好的抗氧化性和高温型,主要归结于GZ晶体结构中存在稳定的弗伦克尔缺陷的氧离子。陶瓷层和粘结层界面的TGO的产生和长大仍是其失效的主要原因。TGO主要由Al和Cr的氧化物组成。烧结现象在等温氧化10 h处,最为明显。     

热障涂层材料研究进展

热障涂层材料广泛应用于发动机热端部件的热防护,能有效提高航空发动机热端 部件的工作温度和使用寿命。目前商用的热障涂层材料为氧化钇部分稳定氧化锆,但其在服役 温度高于 1200?C 时会发生相变而失效,难以满足新一代航空发动机对热障涂层的性能要求。因 此,寻找新型热障涂层材料及其服役性能研究一直是近年来的热点。本文综述了近年来氧化钇 稳定氧化锆、钙钛矿氧化物、烧绿石氧化物以及稀土硅酸盐材料的研究进展,并展望了热障涂 层材料的未来发展趋势。     

粘结层的铝含量及热处理对航空发动机热端部件DZ40M合金上热障涂层静态氧化行为的影响

采用超音速火焰喷涂在航空发动机热端部件DZ40M合金表面制备了铝含量不同(6%、8%和12%)的Ni-Co基粘结层,再等离子喷涂YSZ(氧化钇稳定氧化锆)陶瓷面层,制得了热障涂层。通过扫描电镜、X射线衍射仪和拉曼光谱仪研究了粘结层成分及其真空热处理对热障涂层显微形貌、物相组成以及界面热生长氧化物(TGO)的影响。结果表明,3种粘结层的致密性均较高,与基材以及陶瓷层结合较好。3种喷涂态粘结层中的物相组成与原始粉末相似,随着Al含量增加,原始粉末和喷涂态粘结层中β相的含量逐渐增加。粘结层的真空热处理可以有效降低3种热障涂层在静态氧化过程中TGO的增厚速率。未经粘结层真空热处理制成的热障涂层中,TGO的增速与粘结层中Al的含量有关。粘结层真空热处理后,晶界扩散会显著影响TGO的增厚速率,TGO晶粒尺寸的增加会造成晶界数量减少,相应地会降低TGO的增厚速率。     

多层结构正弦界面Ⅰ型裂纹扩展预测模型

多层结构复合材料凭借其耐高温、抗腐蚀、耐冲击等性能广泛应用于化工、核电以及航空航天等领域。以等离子喷涂热障涂层,爆炸焊接为代表的复合结构界面通常为正弦波界面,这给界面裂纹的扩展研究带来了极大的挑战,为了提高复合材料的使用寿命,减少正弦界面的断裂失效,本项目针对热障涂层界面I型裂纹进行研究,探索建立热力耦合条件下I型界面裂纹扩展预测模型。     

基于原位声发射信号的热障涂层三点弯曲失效模式的机器学习

由于热障涂层体系结构的复杂和服役环境的恶劣，极易导致涂层发生界面分层、宏观断裂和剥落失效。首先利用声发射技术实时监测了热障涂层在三点弯曲载荷下的失效过程，结合微观形貌特征、声发射参数分析、K-means聚类分析识别了热障涂层损伤失效模式。然后利用Fourier变换、小波包变换等分析了4种失效模式的波形特征，其中宏观断裂或剥落失效信号无明显频带，而基底变形、表面垂直裂纹、剪切型界面裂纹、张开型界面裂纹对应的频率分布范围分别在62.5～125.0 kHz、187.5～250.0 kHz、250.0～312.5 kHz、375.0～437.5 kHz。采用机器学习的方法对原位声发射信号进行了深度处理，提取小波能量系数作为机器学习反向传播神经网络的特征向量，结合收敛曲线、混淆矩阵、受试者工作特征曲线、F1值评价了该模型优劣性，实现了对于热障涂层失效模式的判别，为热障涂层失效预测和寿命评估提供参考价值。     

基体条件对Sm2Zr2O7/YSZ双陶瓷层热障涂层界面残余热应力的影响

采用有限元分析软件ANSYS对等离子喷涂Sm2Zr2O7/YSZ双陶瓷层热障涂层界面残余热应力分布进行了数值仿真。结果表明:基体厚度不同时,涂层界面Sm2Zr2O7/YSZ及界面YSZ/NiCoCrAlY对应应力及应力梯度基本不变,表明应力及应力梯度与基体厚度无关;但基体材质热膨胀系数对涂层系统界面的径向、轴向及剪切应力梯度有决定性的影响,且各应力梯度随金属基体的热膨胀系数差异增加而增大,表明基体材质是影响涂层界面径向残余热应力及应力梯度的根本原因。采用多层陶瓷结构并合理选择各层材质的热膨胀系数将更加有利于降低涂层应力梯度,进而改善涂层性能,延长涂层寿命。     

热障涂层对涡轮叶片冷却效果影响的数值研究

以带有复合冷却结构的涡轮叶片为基础模型,对有/无热障涂层保护下的叶片冷却效果进行了气热耦合数值计算,并通过改变热障涂层的厚度研究了热障涂层对叶片换热的影响规律。研究发现：带有热障涂层的叶片温度明显下降,且越靠近叶片前缘处,温度降低幅度越大;随着热障涂层厚度的增加,下降趋势逐渐变慢;与无热障涂层时叶片温度相比,叶片前缘区域温降最大,当热障涂层厚度为0.35mm时,温降高达160K,压力面和吸力面与前缘相比温降程度较低。     

热障涂层高温失效的研究进展

热障涂层的高温失效问题是热障涂层材料研究的重要命题,本文对国内外学者在热障涂层高温失效试验、失效机制、失效的动态监测和寿命预测方面的研究进展进行了综述。热障涂层的失效主要源自涂层中存在的热生长氧化物(TGO)的失效,文中总结出了国内外学者对TGO研究的几个重点方面,以期为热障涂层的高温失效问题提供研究思路。     

稀土锆酸盐热障涂层材料的研究进展

稀土锆酸盐热障涂层材料具有耐高温、抗烧结、低导热、高温相结构稳定和抗腐蚀性能好等优点,被认为是最具有潜力的新型高温热障涂层材料体系之一.概述了目前关于这种热障涂层材料体系的晶体结构、物理性能、力学性能、抗热震性以及热腐蚀性等的研究进展,并进一步展望了稀土锆酸盐热障涂层材料的发展方向.     

改进十字交叉法评价热障涂层界面结合强度

界面结合强度是热障涂层最为重要的力学指标之一。目前,十字交叉法能够同时测定涂层界面拉伸与剪切结合强度而得到广泛应用。然而,十字交叉法仍存在不足之处。本研究对十字交叉试样与夹具进行改进,采用改进后的试样与夹具对8YSZ热障涂层进行测试。结果表明:8YSZ热障涂层的界面拉伸结合强度为(23.68±1.56)MPa,界面剪切结合强度为(25.88±2.14)MPa,其破坏形式均为界面/涂层破坏;改进十字交叉法剪切强度测试时,界面受到的是单一的剪切力,测试不再受到粘结剂强度的限制;改进十字交叉法避免了在拉伸强度测试过程中夹具与样品摩擦力的影响,提高了测量结果的准确性。     

氧化钇稳定氧化锆涂层的研究现状

由于氧化钇稳定氧化锆(YSZ)陶瓷材料在作为热障涂层的使用过程中存在因抗烧结性能差、应力裂纹、涂层脱落等导致涂层失效的问题,本文主要从热障涂层的制备工艺,抗烧结性能、控制TGO的生长、抗CMAS腐蚀及YSZ面层应变容限等方面的改善方法进行论述,通过提高涂层纯度、改变粘接层及涂层成分、涂层结构及制备柱状结构YSZ陶瓷面层释放热失配应力等可有效改善涂层在使用过程中的失效问题。     

烧嘴端面热障涂层应用特性分析

为了利用热障涂层技术解决烧嘴端面烧损问题,开展模拟研究对比增加热障涂层前后烧嘴端面金属材料的隔热性,开展热震性实验测试不同涂层材料以及不同喷涂工艺热障涂层的热震性。结果表明,热障涂层可显著降低烧嘴端面温度,1873 K辐射温度条件下可降低45%;采用封孔工艺的铈酸镧（La₂Ce₂O₇,LCO）材料具有最佳的热震性,1200℃条件下循环热震仅少量裂纹,未见明显失效现象。     

热障涂层氧化层厚度对残余应力的影响

对热障涂层氧化过程进行了详细的阐述,推算了氧化增厚动力曲线,采用ANSYS分别建立了不同氧化层厚度的热障涂层微观二维模型,氧化层界面形状简化为正弦形式。模拟了氧化层不同特征厚度时的应力变化,分析了不同氧化增长方向对各层残余应力的影响。结果表明:随着氧化层的增厚,粘结层波峰处σy增幅较大,易在氧化层和粘结层间发生分层。氧化层分别向TBC层、BC层以及同时向两层方向增长时,发现不同的氧化层增长方向对各层内的残余应力影响不大,可以忽略其影响。     

等离子喷涂金属基热障涂层的研究

简述了金属基热障涂层的结构设计，等离子喷涂层制造工艺特点，影响因素，以及热障涂层的应用。     

单层厚度对Sm2Zr2O7/8YSZ热障涂层残余热应力的影响

采用有限单元法研究了金属粘结层厚度、热生长氧化层厚度及陶瓷层厚度对Sm2Zr2O7/8YSZ双陶瓷层热障涂层残余热应力的影响。结果表明,金属粘结层厚度为0.1mm时,涂层径向应力最小。涂层径向应力随热生长氧化层的厚度的增加而减小。当YSZ厚度在0.1～0.5mm之间时,径向热应力随YSZ厚度增加而增大,超过0.5mm后应力基本不再变化。陶瓷层最佳厚度组合是0.1mmYSZ+0.9mmSm2Zr2O7。     

航空发动机用热障涂层的CMAS侵蚀及防护

热障涂层作为航空发动机的关键技术,一旦在使用过程中失效将导致严重的后果。然而,热障涂层在使用过程中不可避免地会接触到钙镁铝硅酸盐(CMAS),引发涂层剥落,使高温合金直接暴露在高温燃气中,带来巨大的危险。因此,热障涂层的CMAS侵蚀及防护问题近年来得到了广泛关注。本文在介绍传统氧化钇稳定氧化锆(YSZ)涂层受CMAS侵蚀现状的基础上,明确了CMAS侵蚀YSZ的化学作用过程,阐明了YSZ涂层的失效机制,比较了不同种类CMAS的侵蚀效果,总结了目前热障涂层抵抗CMAS侵蚀的主要方法,并阐述了基于自损型防护原理开展的新型热障涂层材料的CMAS侵蚀行为研究进展,以期为未来航空发动机用热障涂层陶瓷材料的选择和CMAS防护提供有益参考。