界面温度对等离子喷涂金属—陶瓷涂层附着性能的影响

金属－陶瓷涂层主要作为热障涂层（ＴＢＣ）工艺广泛应用于工业化用途,等离子喷涂是制造ＴＢＣ最常用的工艺。常规的热障涂层包括一层金属粘合底层和一层隔热陶瓷面层。分层涂层或者功能递变型涂层也已经用来解决等离子喷涂的常规ＴＢＣ早期脱落的问题。等离子喷涂时的温度及其梯度,特别是刚与基体表面碰撞时的粉粒的温度对涂层质量具有重要的影响。当喷涂象金属与陶瓷那样的不同材料时,该因素的影响显著增强。在本研究中,是将金属－陶瓷涂层涂覆到金属基体上。用光学高温计测量界面温度,用热电偶测量基体温度。涂层的结合情况用标准的ＡＳＴＭ试验测定,并与测量的温度有关。结果表明,在一般情况下,具有较低附着值的涂层是那些具有较低界面温度的涂层。     

电热爆炸喷涂和等离子喷涂联合法制备热障涂层的研究

采用电热爆炸喷涂和等离子喷涂联合制备热障涂层,以电热爆炸喷涂法在DZ125合金表面制备NiCoCrAlY粘结层,以等离子喷涂技术制备陶瓷顶层。利用扫描电镜(SEM)和X射线衍射(XRD)仪对所制备的粘结层进行分析,结果表明:电热爆炸喷涂的粘结层与基体结合良好,喷涂态的粘结层的相主要由Ni3Al组成。采用联合法制备的热障涂层,在喷涂态的陶瓷层、粘结层、基体3者结合良好,界面清晰。在高温热循环过程中,粘结层/陶瓷层界面间生成了连续、致密的Al2O3膜,阻碍粘结层的氧化。粘结层/TGO界面产生平行于界面的裂纹,是导致热障涂层失效的主要原因。     

等离子喷涂金属/陶瓷梯度热障涂层研究进展

热障涂层在众多领域具有重要的应用价值,但基体与涂层的物理性能不匹配是遏制其服役性能和寿命提高的主要原因。金属/陶瓷梯度热障涂层通过逐渐改变涂层内部的成分、结构,可有效地改善基体和涂层因物理性能突变而导致的界面失效问题。首先介绍了金属/陶瓷梯度热障涂层对比于双层热障涂层的独特微观结构,并简要分析了其具有明显性能优势的原因。随后总结了金属/陶瓷梯度热障涂层残余应力的具体分布、影响因素和模拟模型优化现状,重点从优化涂层制备工艺、改进喷涂技术、改善涂层设计三个方面,介绍了改善涂层性能的研究进展。其中优化球磨和喷涂工艺参数、模拟研究喷涂过程、改进喷涂技术的方式是通过提高涂层质量来提升其物理性能,而改变涂层成分分布形式、涂层层数和厚度主要是通过改善涂层残余应力分布和水平来提升其抗热失效能力。最后提出了进一步优化模拟模型、改进喷涂技术、创新涂层设计和完善机理研究,是未来等离子喷涂金属/陶瓷梯度热障涂层的重点研究方向。     

超音速火焰喷涂MCrAlY粘结层对热障涂层热震性能的影响

分别采用超音速火焰喷涂技术(HVOF)和等离子喷涂技术(APS)在高温合金GH99上制备MCrAIY粘结层(BC),对比研究了HVOF和APS喷涂BC对热障涂层(TBC)热震性能的影响.结果表明:APS喷涂BC界面不平整,起伏较大,而HVOF喷涂BC界面较为平整.经200次热循环后,APS喷涂TBC部分陶瓷层(TC)出现剥落,而HVOF喷涂TBC仅出现细小的微裂纹,生成的热生长氧化物(TGO)比较厚.APS喷涂TBC经过350次热循环后,涂层出现大面积剥离现象.而HVOF热障涂层直到热震430次后,才出现涂层剥落现象.拉曼光谱(RFS)残余应力分析表明,HVOF热障涂层残余应力随热循环次数的增加而增大,热震350次后APS热障涂层残余应力为650MPa,而HVOF热障涂层热震400次后其应力值仅为571 MPa.可知,HVOF显著地提高了TBC的热震性能.     

高韧性过渡层对大气等离子喷涂热障涂层性能的影响EI北大核心CSCD

高温服役环境下,大气等离子喷涂(APS)制备的纳米结构热障涂层受热应力作用,黏结层/陶瓷层界面附近的陶瓷层内部易形成横向裂纹而导致热障涂层失效。利用常规大气等离子喷涂和超音速等离子喷涂(SAPS)制备8YSZ高韧性过渡层。结果表明,采用APS和SAPS制备的高韧性过渡层提高了扁平化粒子间结合状态和涂层致密度,相比常规结构8YSZ涂层的断裂韧性分别提高约46%和84%,高韧性过渡层均提高了复合结构热障涂层结合强度、抗热震性能和燃气热冲击寿命,SAPS制备的高韧性过渡层厚度为30~50μm时复合结构热障涂层抗热震性能最优,当高韧性过渡层厚度为10~30μm时,相比常规结构热障涂层燃气热冲击寿命提高120%。在温度梯度作用下,热障涂层最终失效由陶瓷层逐层剥落转变为靠近陶瓷层/黏结层界面处剥落。通过高韧性过渡层设计,兼顾热障涂层的隔热性能的同时,提高了热障涂层的结合强度和寿命。     

等离子喷涂热障涂层高温风洞热震行为

采用等离子喷涂工艺制备ZrO2-8%Y2O3(质量分数,下同)陶瓷层,冷喷涂制备CoNiCrAlY粘结层,在高温燃气风洞条件下测试热障涂层的热震性能,并研究了高温氧化处理对试样热震性能的影响.结果表明,等离子喷涂热障涂层具有较好的抗热震性能,经过100次热震循环后,涂层与基体结合良好,涂层较为完整,未出现大面积的剥落;经过氧化处理后的试样抗热震性较差.     

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.     

等离子喷涂Mo/8YSZ功能梯度热障涂层结构优化与热力耦合模拟计算

目的研究不同结构参数对Mo/8YSZ热障涂层系统残余应力的影响因素。方法设计Mo/8YSZ功能梯度热障涂层,并利用ANSYS有限元软件建立了等离子喷涂Mo/8YSZ功能梯度热障涂层的数值模型,模型中考虑了材料热物理性能参数随温度变化,研究粘结层、过渡层及陶瓷层厚度对Mo/8YSZ功能梯度热障涂层残余应力的影响规律。结果随着径向距离的增大,粘结层与陶瓷层界面的残余应力逐渐由压应力变为拉应力,并且在涂层边缘位置,径向残余拉应力达到最大值。在0~12 mm路径范围内的同一位置,伴随着陶瓷层厚度的增加,粘结层与陶瓷层界面位置的轴向残余应力无明显变化,且轴向残余应力的数值几乎为0;在6~12.5 mm路径范围内的同一位置,伴随着陶瓷层厚度的增加,其剪切残余应力逐渐增大。在基体与粘结层界面边缘0.5 mm处存在着与其他位置相比更大的应力突变。粘结层与陶瓷层的厚度参数比控制在4∶10~4∶13时,涂层具有最低的热失配。过渡层与陶瓷层的厚度参数比控制在1∶4时,涂层具有最低的热失配。当功能梯度热障涂层的过渡层采用50%Mo与50%8YSZ复合而成时,将粘结层、过渡层及陶瓷层三者的厚度比值控制在16∶10∶40~16∶13∶52,涂层具有最低的热失配。结论通过设计功能梯度热障涂层,并合理调控热障涂层系统的结构参数,可进一步减小喷涂构件的残余应力和应力突变情况,提升基体与涂层的结合强度。     

Properties of Thermal Barrier Coatings Made of Different Shapes of ZrO2-7wt%Y2O3 Powders

大气等离子喷涂ZrO2-7%Y2O3 (7YSZ, Y2O3为质量分数)热障涂层广泛用于航空发动机热端部件以提高金属基体的抗腐蚀、耐高温、抗冲蚀等性能。采用超音速火焰喷涂(HVOF)以NiCoCrAlYTa粉为原料在高温合金K4169基体上制备了粘结层,通过大气等离子喷涂(APS)分别以团聚、空心7YSZ粉为原料在粘结层上制备了陶瓷面层。使用扫描电镜(SEM)和工业电子计算机X射线断层扫描技术 (ICT)对团聚、空心粉热障涂层的微观结构进行观察分析,然后再对以上 2 种热障涂层的抗氧化、热震、结合、隔热等热物性能进行对比分析。研究结果表明：空心粉热障涂层陶瓷层中存在大量的微孔和裂纹;热障涂层陶瓷层中不同孔隙率对粘结层高温抗氧化性能没有明显的影响,但它有助于提高热障涂层的热震性能和隔热性能;此外,高的涂层孔隙率会导致空心粉热障涂层的结合强度低于团聚粉热障涂层     

团聚及空心ZrO_2-7%Y_2O_3热障涂层性能（英文）

大气等离子喷涂ZrO2-7%Y2O3(7YSZ,Y2O3为质量分数)热障涂层广泛用于航空发动机热端部件以提高金属基体的抗腐蚀、耐高温、抗冲蚀等性能。采用超音速火焰喷涂(HVOF)以NiCoCrAlYTa粉为原料在高温合金K4169基体上制备了粘结层,通过大气等离子喷涂(APS)分别以团聚、空心7YSZ粉为原料在粘结层上制备了陶瓷面层。使用扫描电镜(SEM)和工业电子计算机X射线断层扫描技术(ICT)对团聚、空心粉热障涂层的微观结构进行观察分析,然后再对以上2种热障涂层的抗氧化、热震、结合、隔热等热物性能进行对比分析。研究结果表明:空心粉热障涂层陶瓷层中存在大量的微孔和裂纹;热障涂层陶瓷层中不同孔隙率对粘结层高温抗氧化性能没有明显的影响,但它有助于提高热障涂层的热震性能和隔热性能;此外,高的涂层孔隙率会导致空心粉热障涂层的结合强度低于团聚粉热障涂层。     

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。     

TiAl合金等离子喷涂CoNiCrAlY+(ZrO2+Y2O3)涂层性能的研究

利用等离子喷涂法在TiAl合金基体表面依次喷涂结合紧密的过渡CoNiCrAlY涂层和(ZrO2 Y2O3)的陶瓷热障涂层，并进行高温氧化试验。用XRD、SEM检测了试样的显微组织、结构及形貌，结果表明，经等离子喷涂处理后TiAl合金表面形成陶瓷热障涂层且与基体结合紧密；过渡层的硬度有所增大，表面陶瓷层的硬度显著增高，耐磨性能提高；进行850℃和1000℃高温静态氧化试验，TiAl合金表面高温抗氧化能力也显著提高。     

等离子喷涂梯度热障涂层的工艺优化

用正交试验方法研究了等离子喷涂工艺的4个主要参数(喷涂距离、送粉量、主气(N2)流量、喷涂电流)对梯度热障涂层的过渡层孔隙率的影响,确定了最优工艺参数,并对工艺优化后涂层的显微组织和结合强度进行研究。结果表明:在这4个工艺因素中,送粉量、喷涂距离对过渡层的孔隙率影响较大;在梯度热障涂层中,由基体到涂层表面,形成一种无宏观结合界面的成分连续变化的组织结构;工艺优化能显著提高涂层的性能,优化工艺后喷涂的梯度热障涂层结合强度达到50 MPa。     

TC4表面超音速等离子喷涂热障涂层的研究

利用超音速等离子喷涂技术在TC4合金基体表面喷涂由CoNiCrAlY过渡层和ZrO2陶瓷面层组成的梯度热障涂层,并进行800℃静态高温氧化试验.采用SEM,XRD分析了涂层的组织、形貌及结构,并研究了涂层表面硬度的变化.结果表明:TC4合金经等离子喷涂处理后表面形成陶瓷热障涂层且与基体结合紧密,表面高温抗氧化能力提高.     

铝基厚梯度热障涂层制备工艺及性能研究

采用单一等离子喷涂法和超音速火焰喷涂与等离子喷涂复合喷涂法在铝质LY12基体上制蔷了总厚度分别为0.6mm、10mm和2．0mm的梯度热障涂层，并对基体界面处的涂层显微结构特征进行了金相组织和扫描电镜(SEM)观察，试验结果表明，采用复合喷涂法制备的2mm厚梯度热障涂层其抗拉强度得到显著提高．达到36MPa．其主要原因是采甩JP5000喷涂粘结底层很好的改善了铝基体与游层之间的界面结合强度。基体界面结合强度高低与两者的紧密接触程度有关。     

经溶胶-凝胶后处理之热障涂层的热传导行为特性

热障涂层已广泛用于若干工业部门。在这些系统中用作隔热体的材料是等离子喷涂在金属粘结底层上的经部分稳定化处理的氧化锆 (PSZ)。陶瓷涂层通常是疏松多孔的 ,这样就改善了隔热性能 ,但孔隙也同时增加了气体的可穿透性 ,因此降低了涂层的抗氧化性能。应用后处理可以减少开放式孔隙从而改善抗氧化性。本研究是在采用两组粘结底层即金属涂层和金属 -陶瓷涂层的低碳钢基体上应用热障涂层。金属粘结底层是NiCrAlY ,而金属-陶瓷粘结底层是NiCrAlY和用 8%氧化钇部分稳定化的氧化锆的混合物 ,用两个送粉器同时将它们输送到等离子喷枪中。溶胶 -凝胶法是用氧化铝和氧化锆浸渗填满陶瓷顶涂层中的孔隙。用水银浸入孔隙率仪 (MIP)和热传导性能评价了喷涂态的和后处理状态下的涂层试样     

提高等离子喷涂热障涂层隔热性能的方法

为进一步提高等离子喷涂热障涂层的隔热性能,对陶瓷材料的导热理论及热障涂层的热导率进行了研究.提出了包括寻求新型热障涂层陶瓷材料、添加掺杂剂、制备纳米涂层及双陶瓷层热障涂层等能够改善等离子喷涂涂层隔热性能的方法;并指出,采用等离子喷涂技术制备带颜色的稀土锆酸盐纳米双陶瓷层热障涂层,将会进一步改善热障涂层的隔热性能.     

合金钢热障涂层等离子喷涂及高温力学特性研究

目的研究等离子喷涂热障涂层微观组织与高温力学性能,为热障涂层在合金钢的应用及其失效机制提供理论支撑。方法采用等离子喷涂技术在30Cr Mn Si A钢基体上制备Ni Co Cr Al Y/YSZ热障涂层,利用扫描电镜显微观察、物相分析、热震试验、拉伸试验等技术方法,考察涂层在高温条件下的失效行为。结果合金钢等离子喷涂热障涂层为典型双层层片状结构,YSZ涂层仅含有稳定四方相。800℃时,涂层试样拉伸试验后的断裂载荷与无涂层试样相比高10%。热障涂层的抗热震性良好,经900℃热震循环试验10次后,涂层完好;经1000℃热震循环6次后,涂层剥落失效,剥落面位于粘结层与基体之间。热震循环过程中,钢基体被氧化甚至腐蚀。涂层试样边缘产生应力集中,随着热震次数的增加,裂纹逐渐扩展,最终导致涂层成块剥落。温度由700℃升至900℃,Ni Co Cr Al Y涂层硬度下降幅度大于YSZ涂层和30Cr Mn Si基体。结论粘结层与钢合金基体的热膨胀不匹配是导致热震试验涂层剥落的主要原因。热障涂层的隔热作用使涂层试样的基体温度较低,导致其断裂载荷与无涂层试样相比较高。     

喷枪扫描速度对等离子喷涂Mo/8YSZ梯度 热障涂层温度场的影响规律研究

目的 突破新型动力热障涂层高温环境易剥落的技术瓶颈,揭示等离子喷涂过程中,喷枪扫描速度对梯度热障涂层温度分布的影响规律。方法 利用ANSYS有限元仿真模拟软件,建立了等离子喷涂Mo/8YSZ梯度热障涂层温度场的仿真模型,模型中考虑了材料热物性参数随温度的变化情况及材料的相变潜热。 结果 当喷枪扫描速度由550 mm/s增加至1000 mm/s时,喷枪与基体或已沉积涂层间交互作用的时间缩短,在喷涂构件自身热传导及喷涂构件与外界环境对流换热等综合因素作用下,致使喷涂作业结束时,喷涂构件的最高温度由475 ℃降低至371 ℃,涂层厚度方向的最大温度梯度由2.15×107 ℃/m降低至2.05×107 ℃/m。由于喷涂构件的温度、温度梯度及等离子射流热源用于粉末粒子直接温升的比例均与材料的热物性参数密切相关,致使在喷涂作业结束时,喷涂构件各部分最高温度及涂层厚度方向的最大温度梯度均呈现陶瓷层最高、过渡层次之、粘结层最低的分布规律。由于等离子喷涂过程中,先沉积的涂层对后沉积的涂层存在一个预热作用,故伴随着涂层厚度的增加,喷涂构件的最高温度增加。结论 在等离子喷涂过程中,通过增大喷枪扫描速度,可在牺牲涂层最高温度的条件下,降低喷涂构件的最大温度梯度。热障涂层采用梯度结构,可实现涂层厚度方向材料热物性参数的连续梯度变化,进而实现对喷涂构件空间温度分布的有效调控。     

等离子喷涂常规和纳米ZrO2-7％Y2O3热障涂层隔热性能

采用等离子喷涂工艺在TiAl合金表面制备常规和纳米ZrO2-7％Y2O3(质量分数)热障涂层,分析了两种涂层的组织结构,并对其隔热性能进行了比较.结果表明,等离子喷涂常规热障涂层呈典型的层状堆积特征,而纳米涂层为特殊的两相结构.相对于常规涂层,纳米涂层有较好的隔热性能;在1100℃时,等离子喷涂常规及纳米涂层的隔热温度分别为83、127℃.