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。     

氧化锆-堇青石复相涂层对氧化铝基体影响的研究

在陶瓷材料表面引入压应力涂层已经被证明可以提高其强度和韧性。用高纯堇青石粉和氧化锆细粉制备了堇青石-氧化锆复相涂层浆料,将加工好的氧化铝样条浸润于浆料中,经过无压烧结制备出复相涂层增强的氧化铝材料。研究了不同氧化锆添加量（质量分数）的涂层对基体的整体性能的影响,结果表明,当复相涂层含质量分数为10%的氧化锆时其表面残余压应力为最大值1.34 GPa,相应地其弯曲强度也为最大值376.55 MPa,相比于未镀层的基体试样其弯曲强度增长了64.6%。此外,对试样还进行了高温弹性模量的试验,并分析了其弹性模量随温度变化的具体原因。镀层试样还进行了导热系数的试验,发现随着低热导率材料的加入,镀层试样的热导率也随之下降。最后由于表面残余压应力的存在,镀层试样相较于基体材料展现出了较好的抗热震性能,在900℃前,镀层试样水淬后的剩余强度均大于未镀层试样。     

不同基体条件下Sm_2Zr_2O_7/YSZ热障涂层的残余应力

采用有限元法研究了基体条件对等离子喷涂Sm2Zr2O7/YSZ双陶瓷层热障涂层涂层的残余热应力,并与单一Sm2Zr2O7涂层进行了比较。计算结果表明,涂层的残余热应力随金属基体的热膨胀系数增加而增大,当基体厚度超过25mm后,径向应力不再变化,基体半径对涂层残余应力的影响可以忽略。Sm2Zr2O7/YSZ涂层的热应力明显小于单一的Sm2Zr2O7涂层,增加涂层的层数可缓解残余热应力。     

等离子喷涂金属中间层材料的选择研究

本文主要利用等离子体射流喷涂技术，有目的地选择比较了五种金属中间层材料与钙稳定氧化锆材料组成的五组复合涂层，给出了五组复合涂层各自的弯曲，拉伸及热震试验的结果。     

Zr_(1-x)Si_xN纳米涂层的制备及其力学性能

采用直流与射频共溅射技术制备Zr1-xSixN纳米涂层。通过改变Si靶溅射功率控制涂层中Si含量,研究了不同Si含量对Zr1-xSixN涂层的物相结构、晶粒尺寸、硬度和摩擦磨损性能的影响,探索了Zr1-xSixN纳米涂层的致硬机理。结果表明:Si的掺入影响Zr1-xSixN涂层的择优取向和相结构,随着Zr1-xSixN涂层中Si含量的增加,涂层截面的形貌由柱状晶转变为非柱状等轴晶,其结构的变化为:固溶体→nc-ZrN/α-Si3N4结构→非晶结构。涂层的晶粒尺寸在12～30nm之间。对于Si含量低于3.14%(摩尔分数)的Zr1-xSixN涂层,由于固溶强化作用使硬度随Si含量增加而增大,对于Si含量高于3.14%的Zr1-xSixN涂层,通过晶粒的转动和原子在晶界的移动能产生塑性形变,提高了涂层塑性形变能力,使得硬度下降。Zr1-xSixN涂层的耐磨损性能随Si含量的增加而增强。     

等离子喷涂氧化锆涂层封孔处理的研究现状

本文分析了等离子喷涂氧化锆涂层中存在孔隙的原因,介绍了降低涂层孔隙率的方法,并指出了未来氧化锆涂层封孔技术的发展方向。     

等离子喷涂氧化锆涂层的显微结构分析

利用透射电镜(TEM)、扫描电镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)等分析技术,表征了等离子喷涂氧化锆涂层的显微结构.结果表明:等离子喷涂氧化锆涂层是由典型的柱状晶粒组成的层状结构;柱状晶粒晶型发育完整,晶粒之间具有清楚晶界;涂层表面存在明显的完全熔融区和未熔融区;涂层中分布有一定的大气孔.涂层的主晶相是四方氧化锆,没有单斜氧化锆相存在;涂层中裂纹的扩展是穿晶断裂和沿晶断裂共存.     

金属表面电泳法制备陶瓷涂层的研究进展

陶瓷涂层具有耐磨、耐蚀、耐高温和抗微生物侵蚀等性能。介绍了国内外用电泳沉积法制备生物陶瓷涂层、碳化硅陶瓷涂层、氧化钛陶瓷涂层、氧化铝陶瓷涂层、氧化硅陶瓷涂层及氧化锆陶瓷涂层的研究进展,揭示了防腐领域中陶瓷涂层存在的问题,提出了解决方法并展望了未来的研究方向。     

等离子喷涂Sm_2Zr_2O_7热障涂层残余热应力

采用有限元分析软件ANSYS对等离子喷涂Sm2Zr2O7热障涂层在金属基体材质类型、厚度、半径变化时涂层的残余热应力进行了分析。结果表明,金属基体的热膨胀系数对Sm2Zr2O7热障涂层的残余热应力有着显著影响,金属粘结层与表面陶瓷层界面处的残余应力及其应力梯度随着金属基体热膨胀系数增加而增大。金属基体厚度和半径不是影响Sm2Zr2O7热障涂层残余应力的主要因素。     

热红外屏蔽迷彩涂层材料的研究

研究了颜填料的种类、形状、大小、粒径分布、涂料中的用量,以及与多种功能性材料的配合使用等因素对涂层反射率和发射率的影响,揭示了涂层材料的降温性能与涂层材料的关系.针对目前国内对降温涂层材料研究存在的问题,对深色(迷彩)涂层的降温效果进行了研究,对多种彩色颜料的反射率进行测试,建立相应的小型数据库,从而在此平台上合理选择反射材料.制备出了反射率驼灰色为80%、军绿色为72%、墨绿色为68%、辐射率皆为93%的热红外屏蔽迷彩涂层材料.     

新型纳米光催化薄膜的结构设计与应用研究

采用溶胶-凝胶法分别制备了TiO2/ZrO2、TiO2/ZrTiO4、TiO2/SiO2等异质结构纳米薄膜.本文对形成溶胶的各成分配比、粘度以及薄膜样品的热处理工艺等进行了探讨,同时用喷涂法在瓷砖上成功制备光催化薄膜,用SEM对薄膜的外貌特征进行了表征,并利用紫外-可见分光光度计研究了薄膜吸收光谱的变化,用分光光度法研究了异质结构薄膜对甲基橙溶液的降解,探讨了过渡层对薄膜的光催化效率和抗失活稳定性的影响.结果表明,TiO2/ZrO2、TiO2/ZrTiO4薄膜中的晶粒尺寸减小,薄膜的光催化活性和抗失活稳定性均有较大提高,并可以用工厂方法制备大面积薄膜.     

Ni-ZrO2复合镀层的结构表征

采用复合电沉积制备Ni-ZrO2复合层。采用X-射线衍射检测ZrO2的加入对镍镀层结构的影响,如衍射峰的强度、金属电沉积时晶粒的择优取向。测试表明,Ni和ZrO2各自在特定的角度分别出现其独特的衍射特征峰,互不干扰,镀层中ZrO2含量增高,衍射强度变强。ZrO2在镀层的掺杂,镀层的晶粒尺寸由29.29 nm降至21.78 nm,镀层晶粒细化。     

Ni-ZrO2复合镀层形成过程的研究

采用复合电沉积技术制备出了Ｎｉ－ＺｒＯ２复合镀层,并利用正交设计对影响复合电沉积过程的有关因素进行了系统研究,镀液中ＺｒＯ２微粒表面荷电状况的分析表明,ＺｒＯ２微粒表面由于吸附子溶液中的Ｎｉ＾２＋而荷正电。     

ZrO2涂层在小高炉单套风口上的试验研究

分别采用等离子喷涂两层和三层梯度隔热涂层的方法研究了梯度隔热涂层对高炉风口寿命的影响,并分别进行了工业试验。试验采用的两层结构即金属型粘结底层(Ni-Cr-Al-Y)和ZrO2陶瓷工作层;三层结构即在工作层的ZrO2涂层中配入3%～6%的CaO作为稳定剂来抑制ZrO2相变膨胀,在金属型粘结底层(Ni-Cr-Al-Y)上涂附25%Ni-Cr-Al-Y和75%ZrO2的复合粉作为中间过渡层以消除膨胀应力。两种涂层的厚度均为0.1mm。结果表明:这两种涂层结构设计都能够有效延长金属风口的寿命,使风口的寿命分别提高了1倍和3倍;但理想的涂层厚度应为0.3～0.5mm。     

ZrO_2溅射膜的柱状生长机制

气相沉积ZrO2 膜常为柱状结构 ,要更好地控制ZrO2 膜性能 ,需要研究ZrO2 膜中柱状结构的形成和演化规律 .在射频溅射条件下沉积了ZrO2 膜 ,发现该膜的柱状晶具有 { 111}面织构 ,其底层可能还有等轴晶 .提出以下柱状晶形成机制 :在光滑 (玻璃 )基片上形成的柱状晶源自于在基片表面形成的具有 { 111}面织构的最初晶核 ;在较为粗糙 (多晶Al2 O3)基片表面上形成的柱状晶源自于〈111〉晶向与沉积物质流方向一致的晶核择优生长及随后对其它取向的小晶核的吞噬而形成的晶核群 .基片表面粗糙时 ,由于柱状晶核经过晶核筛选产生 ,柱状晶底部可能有等轴晶层 ;若温度较低 ,出现等轴晶层可能性更大     

溶胶-凝胶工艺制备ZrO2涂层对工程陶瓷表面改性的研究

采用无机盐先驱体 ,溶胶 -凝胶工艺在氧化铝基工程陶瓷上成功制备了ZrO2 涂层。用差热分析(DTA)、扫描电子显微镜 (SEM)、X射线衍射 (XRD)等分析手段对ZrO2 涂层的物相组成、表面和断面形貌进行了表征。对精磨、热处理、ZrO2 涂层试样的抗弯强度和Weibull模数进行了比较。结果表明 :ZrO2 涂层可以明显改善陶瓷的表面质量 ;涂层与基体结合紧密 ,无明显的界面层 ;涂层试样的抗弯强度和Weibull模数均比未涂层试样有明显的提高。     

ZrO2和Ni复合掺杂对Al2O3陶瓷结构及性能的影响

利用非均相沉淀包覆-热还原工艺制备粒径分布均匀、表面光滑的球形Al2O3/ZrO2/Ni,Al2O3/Ni,Al2O3/ZrO2复合结构粉体,再经真空热压烧结得到相应的复合陶瓷.通过X射线衍射和扫描电镜对前躯体、热还原粉体及烧结陶瓷的成分及结构进行了表征,并对陶瓷的力学性能、介电常数进行了检测和分析.实验结果表明:金属Ni的引入抑制了Al2O3的致密化,细化了晶粒,强化了氧化铝晶界,使氧化铝发生穿晶断裂而起到增韧效果;ZrO2对Al2O3陶瓷致密化及细化晶粒作用不明显,但通过相变增韧或形成弱界面起到了较好的增韧作用;Al2O3/ZrO2/Ni复合材料的断裂韧性增加值并未高于Al2O3/Ni和Al2O3/ZrO2 2种复合材料断裂韧性增加值之和,但增强了空间电荷的极化,使复合材料具有较高的介电常数.     

(Ni-Fe)-ZrO2复合镀层的制备及性能研究

采用电沉积的方法在硫酸盐溶液中制备了(Ni-Fe)-ZrO2复合镀层。讨论了ZrO2微粒含量对复合镀层硬度的影响规律,对镀层物理化学性能进行了表征。结果表明:当ZrO2质量浓度为8 g/L时镀层的硬度最高,复合镀层的耐蚀性明显提高,表面形貌测试明显看出有ZrO2微粒沉积在镀层中。     

ZrO2-SiO2二元系统平面光波导薄膜的制备与性能表征

应用溶胶-凝胶技术,以TEOS与ZrOCl2·8H2O为先驱体,研制了用于有源光波导基质材料的ZrO2-SiO2二元系统薄膜,探明了ZrO2-SiO2二元系统薄膜折射率、厚度与薄膜组分、匀胶速度、陈化时间、热处理温度的内在关系,实现薄膜厚度和薄膜折射率在一定范围内的连续可调,为研制一类新型的光通信窗口有源光波导材料提供了基质材料.     

ZrO2包覆CaO-MgO-SiO2陶瓷纤维的制备及其性能

为了解决CaO-MgO-SiO2陶瓷纤维在使用过程中析晶、粉化的问题,采用非均相成核法在CaO-MgO-SiO2陶瓷纤维表面制备了ZrO2涂层。用场发射扫描电子显微镜观察ZrO2包覆层,用X射线衍射仪分析800和1 000℃热处理后原始纤维和ZrO2包覆纤维的晶相变化,并检测了二者在模拟肺液中的溶解性能。结果表明:包覆处理后,CaO-MgO-SiO2陶瓷纤维表面形成了一层ZrO2包覆层;ZrO2包覆层的存在可以显著抑制800℃时纤维的析晶,1 000℃时只能抑制纤维中方石英的析出,对其他物相的析晶没有明显抑制作用;ZrO2包覆层的存在降低了纤维在模拟肺液中的早期溶解速率,但对纤维的长期生物可溶性影响不大。