含抗氧化夹层热障涂层界面应力特性的研究

通过喷涂等工艺技术,在热障涂层粘结层和陶瓷层之间预制Al2O3夹层,能有效抑制热障涂层高温不规则氧化生长及其所导致的失效.但是,预制的Al2O3夹层又会导致热障涂层界面应力场重新分布.文中针对热障涂层界面三维形貌特征,利用弹性理论中的空心球模型,考虑陶瓷层(ZrO2层)、夹层(Al2O3层)、氧化层(thermally grown oxide, TGO)及粘结层(bondcoat, BC),建立三维四层球模型的理论分析,并推演出相应的应力解析式.文中通过凹凸两种界面形貌下抗氧化夹层的算例分析,表明以上分析方法能有效模拟夹层对热障涂层界面应力分布规律的影响.     

界面尺寸对热障涂层残余应力的影响

广泛应用于高温部件的热障涂层,其凹凸不平的界面形貌不仅影响界面的结合强度、应力分布,严重时甚至会导致涂层剥离、层裂和失效.文中针对正弦波形界面形貌的热障涂层,研究了界面尺寸（微坑深度、宽度和间距）对界面残余应力的影响.结果表明,界面几何形貌突变越严重,应力突变也随之加剧;不同的微结构尺寸影响因素对残余应力影响各不相同,其中微坑深度对残余应力的影响最为显著.     

带热障涂层构件界面应力分析边界元法

提出带热障涂层构件二维应力分析边界元法。对薄体应力分析边界元中近奇异积分处理方法进行完善及改进，并将其推广应用于热应力及离心应力边界元分析，提出可以考虑温度及离心载荷的多层域结构应力分析边界公式，数值算例结果表明，采用本文方法可用少量单元得到梯度温度场，面力和／或离心载荷条件下涂层界面应力分布，三种载荷情况下界面切向拉伸应力的最大相对误差小于0．23％，本方法可作为带热障涂层构件设计及涂层剥落失效分析的有效工具。     

热障涂层在内燃机中的应用

随着热能发动机向高温高效方向发展,在其燃烧系统中工作的许多零部件将经受更严酷的高温。高应力、热冲击、燃气腐蚀和粒子冲蚀作用。这就对发动机材料性能提出了更高的要求。陶瓷材料由于具有耐腐、耐氧化、耐高温、高硬度和较低的摩擦系数等特性而受到广泛的重视。然而,研究表明:整体陶瓷零件在发动机中的应用目前仍面临着     

热障涂层安定分析与简化解析模型

以"褶皱模型"为基础,建立了热障涂层体系理论模型,采用了温度参数法构造涂层体系的残余应力场,建立了涂层下限安定分析的有限元离散格式,分析了褶皱程度和氧化层厚度对涂层体系安定极限的影响。针对"褶皱模型"的几何特点,将其转化成三层厚壁圆筒模型,给出相应的安定极限的解析表达式,建立了热障涂层简化解析模型,与数值结果进行比较,该简化模型在C/L1或C远远小于L,即褶皱程度不是很剧烈的情况下和数值结果较为贴近,可作为一种近似计算热障涂层安定极限的方法。     

热障涂层在多次热循环作用下残余应力的模拟

采用热弹塑性有限元方法,对热障涂层多次热循环降温过程中由于热梯度和材料参数不匹配而产生的残余应力进行了数值模拟,分析了平面和曲面的界面形貌对界面残余应力的影响.结果表明,在相同材料参数情况下,陶瓷层与粘接层的界面形状对残余应力及结构稳定状态有显著的影响,凹凸不平的界面将会使界面残余应力发生突变,不利于增强界面结合强度和涂层结构的热稳定性.该结果对分析涂层寿命及失效机制有指导意义.     

热障涂层层状裂纹的位置对断裂性能的影响

广泛应用于热能动力的热障涂层在高温工作环境下,由于温度梯度产生的热应力不匹配会导致热障涂层层裂或剥落失效。本文针对热障涂层层裂问题,考虑热应力不匹配因素,建立热障涂层层裂I/II复合型断裂准则,并针对分层裂纹在陶瓷层与粘结层界面上和附近的3种位置存在形式,进行了热障涂层结构单裂纹层裂的算例分析。结果表明界面处层裂纹对应变能释放率影响最大。     

热障涂层平头压痕蠕变研究

研究典型热障涂层(thermal barrier coating,TBC)系统在圆柱形平头压痕下的蠕变响应。考虑刚性压头、弹性压头和弹性磨损压头作用下,压头压痕深度随时间的变化规律和压头前方的Mises应力分布,分析压头尺寸和外载荷变化对压痕深度和Mises应力分布的影响．可以得出结论,平头压痕下TBC系统的蠕变在较短时间内即达到稳态,压痕深度随外载荷和压头半径的增大而增大;在相同载荷和压头半径下,压痕深度的影响表现为弹性磨损心头大于弹性压头,弹性压头大于刚性压头;对于弹性磨损压头,在相同载荷和压头半径下,压痕深度随磨损圆角半径的增大而增大。     

超音速喷涂粘结层对热障涂层抗氧化性能的影响

采用超音速喷涂工艺在Ni基高温合金GH99上制备NiCoCrAlY粘结层,研究超音速火焰喷涂工艺对热障涂层抗氧化性能的影响.结果表明:等离子喷涂粘结层表面存在着大量的尖角和钩状的突出颗粒,而超音速喷涂粘结层表面较为平整,内部黑色氧化物较少.超音速喷涂涂层在氧化15 min后表面生成一层较为致密的颗粒状氧化物.超音速喷涂试样在前40 min氧化增重速率快于等离子喷涂试样,此后变得缓慢,而等离子喷涂试样氧化速率依然较高.超音速喷涂的涂层在氧化300 h后热生长氧化物(Thermally grown oxide, TGO)出现分层,TGO内层组织致密,TGO外层组织存在大量的孔洞和间隙.超音速喷涂工艺使热生长氧化物瞬态氧化阶段时间缩短,稳态氧化阶段时间延长,减少了氧化缺陷的产生,有效地提高了涂层抗高温氧化性能.     

毫米波检测热障涂层缺陷的方法研究

在毫米波段利用CST微波工作室仿真软件对热障涂层脱黏和热生长氧化层(Thermal growth oxide,TGO)的无损检测进行理论仿真研究,目的是确定不同工作频率段检测时的检测灵敏度和分辨率,以指导试验检测中波导探头的选择。在40～50 GHz和50～60 GHz两个频率段对热障涂层中陶瓷顶层和黏结层间的脱黏检测进行研究,主要包括由裂缝演变为脱黏时脱黏宽度的检测,脱黏面积及形状的检测和脱黏层厚度的检测。在18～26.5 GHz,26.5～40 GHz,40～50 GHz和50～60 GHz4个频率段对热障涂层中TGO层的厚度进行检测。结果显示,在毫米波段可以利用反射系数的相位差来良好的表征长脱黏的宽度,面脱黏时的脱黏面积,大脱黏时的脱黏深度以及TGO层的厚度;采用的工作频率越高时检测的灵敏度越高,并且对检测参数的检测分辨率越高。     

功能梯度热障涂层热震表面裂纹

作为发动机热端部件上使用的功能梯度热障涂层，其热震性能的好坏直接关系到涂层的使用寿命，涂层内部的裂纹在热震环境下的变化是影响其热震性能乃至使用寿命的直接因素。采用YSZ与NiCrCoAlY等离子喷涂制备了功能梯度热障涂层试样，采用扫描电子显微镜对不同次数热震后的涂层表面不同位置进行了观察比较。结果表明，随试样位置及热震次数的不同，表面裂纹存在显著不同；除主裂纹外，会产生二次裂纹；主裂纹与二次裂纹的宽度存在差异。     

等离子喷涂ZrO2-8%Y2O3热障涂层的组织与性能研究

采用超音速火焰喷涂粘结层、大气等离子喷涂陶瓷层制备了双层结构的热障涂层。利用扫描电镜对热障涂层进行了微观组织结构分析,主要对涂层的热导率及隔热性能进行了试验研究。结果表明：陶瓷层与粘结层、粘结层与基体的结合良好;陶瓷涂层在1100℃下的热导率为0.99W/（m·K）;在测试温度为1100℃、冷气流量为4m3/h的条件下,隔热效果可达到155℃。     

等离子喷涂ZrO2热障涂层的热冲击性能

利用ANSYS软件对铝、镍基体等离子喷涂ZrO2热障涂层在热冲击过程中的应力分布进行了数值模拟,并比较了不同金属基体对涂层热冲击行为的影响.结果表明:热冲击过程中产生的径向热应力最终导致涂层中垂直裂纹的出现,镍基体涂层的热冲击性能优于铝基体,有限元计算结果与试验结果吻合良好.     

等离子喷涂纳米ZrO_2功能梯度热障涂层的孔隙结构

采用大气等离子喷涂技术制备了纳米ZrO2功能梯度热障涂层,采用定量金相分析技术分别研究了表面陶瓷层、中间层及界面处的孔隙率、孔隙尺寸和孔隙形状.结果表明:各区域的孔隙率、孔隙尺寸和孔隙形状系数服从各自相似的概率分布;界面处孔隙率最高为6.87%,表面陶瓷层和中间层孔隙率略低;涂层中尺寸在1μm以下的孔隙数量最多,约占65%;孔隙大多呈等轴状,所占比例在70%～73%之间.     

C/C复合材料热防护涂层残余应力研究

对在C／C复合材料基体上制备的W-TiC梯度功能涂层过程中的残余热应力进行了计算机有限元模拟；并模拟了单-W和单-TiC涂层下的残余热应力分布情况，模拟结果表明，W-TiC的梯度功能涂层与单一涂层相比，具有更好的热应力缓和特性。在综合考虑热应力最小，应力强度比值最小以及纯TiC侧应力状态等因素的基础上，完成了功能梯度涂层体系的热应力缓和特性设计，得到组成分布指数P=1．5的最佳设计结果。     

Effect of Supersonic Fine Particles Bombarding on the Service Life of Thermal Barrier Coating

Thermally Grown Oxide(TGO) is a dominating component in controlling the effectiveness of thermal barrier coating.During the growth of TGO,whether we could homogeneously distribute Al atom on the TGO and the intermediate metal layer will be the key factor in forming TGO with continuous,uniform and single-ingredient(Al2O3).In this experiment,we bombarded particles on to the metallic bound layer.We studied the influence of supersonic particle bombardment on the diffusion of Al.We hope to control the growth of TGO by monitoring the diffusion of Al.Thermal barrier coating(TBC),which consists of a NiCoCrAlY bond coat and a ZrO2-8Y2O3(wt.%) topcoat(TC),is fabricated on the nickel-base superalloy by air plasma spray(APS).NiCoCrAlY bond coat is treated by supersonic fine particles bombarding(SFPB).The morphology,oxidation behavior of TBC and phase are characterized by scanning electron microscope(SEM) equipped with an energy dispersive spectromrter(EDS) and X-ray diffractometer(XRD).The influence of supersonic fine particles bombarding technique on the service life of thermal barrier coating is studied.The results show that SFPB technique improves the flaw of excessive surface undulation in the as-sprayed bond coat.A continuous,uniform and single-ingredient(Al2O3) TGO can quickly form in the SFPB TBC during high temperature oxidation process.The thickening of TGO is relatively slow.These will effectively suppress the formation of other non-protective oxides.Therefore,SFPB technique reduces the growth stress level generated by the continuous growth of TGO,and also avoids the stress concentration induced by formation of the large particle spinal oxide.Thermal barrier coating still remains well after 350 thermal cycles.The service life of TBC is improved.The proposed research provides theoretical basis and technical references to further improve and enhance the SFPB technique.     

EB—PVD热障涂层皱曲问题研究进展

热障涂层皱曲是指在高温循环载荷下陶瓷表层／粘结层界面甚至陶瓷层表面发生的凸起或凹陷现象。综合国内外最新的有关皱曲现象的报道,系统地介绍了电子束物理气相沉积（EB—PVD）热障涂层皱曲行为。综述了皱曲的特点、研究历史和研究进展,从微观机理、研究方法和皱曲对涂层性能影响3个方面进行了分析,指出了可行的研究发展方向。     

铀表面铝镀层热应力的有限元分析

对铀表面磁控溅射沉积铝镀层的热应力进行了热弹塑性有限元分析。结果表明：镀层内的热应力较大,达到铝的屈服强度,镀层界面两侧存在明显应力梯度,试样侧边存在由于边缘效应引起的应力分布不均匀性,至侧边约4倍镀层厚度处,应力分布不均匀性逐渐消失;沉积温度升高,界面塑性应变明显增大,镀层弹性模量和泊松比对镀层界面热应力和塑性应变的影响较小,而屈服强度的影响较大,减薄镀层厚度有利于改善镀层界面的热应力和塑性应变。