高温合金热障涂层的氧化和失效研究

评述了热障涂层发展的现状，研究了电子束物理气相沉积（EB－PVD）热障涂层的恒温氧化和循环氧化行为。结果表明：热障涂层 1000℃氧化稳定后，基本遵循抛物线氧化规律。循环氧化过程中，微裂纹优先沿陶瓷层柱状晶界形成，并逐渐沿横向及纵向扩展。热障涂层热循环过程中产生的热应力、氧化物长大应力等引起金属氧化物（TGO）／粘结层分界面多处开裂，最终导致热障涂层失效于TGO中或TGO／粘结层的分界面。     

单晶高温合金热障涂层的循环氧化行为

在Ni基单晶高温合金基体上，采用磁控溅射沉积Ni30Cr12Al0.3Y粘结层，电子束物理气相沉积（EB－PVD）氧化锆陶瓷面层，制备了热障涂层。粘结层的晶粒尺寸小于100nm，为纳米结构，具有优异的抗氧化性能；陶瓷面层为柱状结构，有较好的应变允许度。XRD分析表明，沉积态的陶瓷层存在大量的非平衡正方相（t′），还有少量的立方相（c)和单斜相（m),t′相在冷却时不会转变为m，对陶瓷的高温稳定性有重要的作用。在1050℃下，对单晶合金基体和热障涂层进行了循环氧化实验。结果表明，单晶合金经过几次循环后氧化膜发生剥落，100次循环氧化后，表面氧化物主要由NiO和少量的Al2O3以及由于Kirkendell效应造成的孔洞组成；而热障涂层经过100次循环后，表面没有剥落，但有微裂纹出现，粘结层与陶瓷层之间的热氧化产物（TGO）为Al2O3。300次循环氧化后，TGO与粘结层之间有裂纹产生。     

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.     

等离子喷涂热障涂层的高温氧化行为研究

采用等离子喷涂工艺在K38高温合金基体上分别制备了Y2O3稳定的ZrO2(YSZ)和MgO稳定的ZrO2热障涂层(MSZ),利用热重分析、X-射线衍射和带能谱的扫描电镜等手段,研究分析了两种涂层在900℃和1000℃的高温氧化性能.结果表明:YSZ涂层和MSZ涂层在900℃都有较好的抗高温氧化性能:MSZ涂层在1000℃氧化时发生了相变,引起陶瓷外层开裂,影响了涂层的抗氧化性能和使用寿命,而YSZ涂层在1000℃氧化没有相变发生,表现出比MSZ涂层更佳的抗氧化性能.     

TiAl合金表面热障涂层的高温抗氧化性能研究

利用大气等离子喷涂技术(APS)在TiAl合金基体表面制备TiAl₃/Al₂O₃-13TiO₂纳米热障涂层。采用SEM、EDS和XRD技术分析纳米热障涂层在氧化前后的微观组织及相组成,并对其在950℃下的抗氧化性能进行测试。结果表明,TiAl合金表面制备TiAl₃/Al₂O₃-13TiO₂纳米热障涂层后高温抗氧化性能显著提高,氧化动力学曲线呈对数变化规律,950℃高温氧化时,氧化速率常数为3.7×10^-3 mg²·cm⁴/s。在高温氧化过程中,TiAl₃粘结层与TiAl合金基体之间发生元素扩散,TiAl合金基体与粘结层之间界面消失。在陶瓷层与粘结层之间形成均匀连续的热生长氧化物层(TGO),在TiAl₃粘结层完全降解为TiAl₂相和三元Ti-Al-O化合物后,TGO对陶瓷层和粘结层仍...     

电子束物理气相沉积热障涂层的高温氧化行为

采用电子束物理气相沉积（EB-PVD）在Ni-Cr-Al-Y粘结层上沉积Y2O3部分稳定的ZrO2陶瓷层（YSZ），进行了900，1000，1100℃的恒温氧化和1050℃的循环氧化实验，用扫描电镜（SEM），能谱（EDS）和X射线衍射（XRD）对样品进行观察分析，结果表明，恒温氧化最初20h，1100℃的增重比900℃和1000℃的都要小，热循环过程中产生的热应力和氧化物生长应力等导致粘结层氧化物（TGO）/NiCrAlY粘结层界面开裂，引起EB-PVD热障涂层失效。     

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。     

纳米YSZ热障涂层中TGOs层的生长行为

通过对热障涂层在高温静态氧化过程中TGOs层形貌的观察,研究了Al_2O_3层对TGOs层生长过程的作用机制。结果表明:致密的Al_2O_3层能有效降低TGOs层的生长速率;当Al_2O_3层消失后,TGOs层的生长速率由0.61μm·h~(-0.5)迅速增大至1.29μm·h~(-0.5)。氧化过程中,在Al_2O_3层与粘结层界面上生长的混合氧化物会逐渐向上"吞噬"原有的Al_2O_3层,并导致Al_2O_3层的减薄直至最终消失。Al_2O_3层的稳定性对TGOs的生长具有显著的影响。     

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。     

TiAl合金表面EB-PVD制备热障涂层及高温抗氧化性能

利用EB-PVD技术在Ti Al合金表面制备了扩散铝/YSZ热障涂层。采用SEM、EDS和XRD分析了涂层原始及高温氧化后的微观组织及相组成,并测试了高温氧化性能。结果表明:涂层表面YSZ层为致密柱状晶结构,由非平衡四方相t′-ZrO_2组成。Ti Al合金沉积了扩散铝/YSZ热障涂层后高温氧化性能显著提高,氧化动力学曲线呈对数变化规律,900℃高温氧化时,氧化速率为2.2×10~(-5) mg/cm~2·h。1000℃高温氧化时,氧化速率为1.14×10~(-3) mg/cm~2·h。在高温氧化过程中,粘结层与基体之间发生元素扩散,膜基界面消失。在面层与中间粘结层之间形成了均匀连续的热生长氧化物层TGO。     

EB-PVD梯度热障涂层的制备及其热疲劳性能

采用ＥＢ－ＰＶＤ的方法,连续蒸发按一一分比混合的Ａｌ＋Ａ１２Ｏ３＋ＺｒＯ２混合源,在Ｎｉ基高温合金基体上制备了一种新型结构的热障涂层,ＳＥＭ和ＥＤＳ的观察、分析表明,这作层实现了由金属粘结层向陶资顶层的微观结构的梯度过渡和化学成分的连续变化。涂层的基本结构为ＮｉＣｏＣｒＡ１Ｙ／Ｎｉ３Ａｌ＋Ａ１２Ｏ３／Ａ１２Ｏ３ＺｒＯ２／ＺｒＯ２。这北度热障涂层在１０５０℃的抗高温氧化性能优于传统的二层结构的热障涂     

激光熔敷抗氧化与隔热涂层组织结构及高温性能研究

对镍基高温合金上激光重熔等离子喷涂热障涂层进行研究,并对其高温性能进行了测试.结果表明,ZrO2陶瓷涂层为细化柱状晶,柱状晶晶界处含Al、Ti等元素,NiCoCrAlY结合层为奥氏体胞晶.相分析确定形成了立方和四方混合ZrO2.其高温氧化和热循环性能比等离子喷涂形成的热障涂层显著提高     

EB-PVD热障涂层热循环过程中粘结层的氧化和相结构

采用磁控溅射方法在镍基单晶高温合金基体上沉积Ni-30Cr-12Al-0.3Y（质量分数，％）粘结层，采用电子束物理气相沉积方法（EB－VPD）沉积7％Y2O3（质量分数）－ZrO2陶瓷顶层，结果表明，在热循环过程中，非平衡相t′-ZrO2中的Y2O3含量逐渐减少，t′－ZrO2相逐渐分解成平衡相t-ZrO2（冷却时变转变成斜相）和立方组ZrO2,1050℃循环200次，粘结层氧化物（Al2O3)厚度约为3μm，表明Ni-Cr-Al-Y达宜作粘结层，继续热循环，陶瓷层中出现单斜阳，粘结层中Al贫化，氧化层中出现NiO及尖晶石等，引起应力集中，导致涂层失效。     

FEM ANALYSIS OF THERMAL STRESSES IN GRADIENT THERMAL BARRIER COATINGS PRODUCED BY EB-PVD

1. IntroductionThermal barrier coatings (TBCs) have exhibited an increasing potential in improvingthe durability and efficiency of gas turbine engines by allowing an increase in turbineinlet temperature (TIT), and by reducing the amount of cooling air required by the hot-section components[1--31. Recently, gradient thermal barrier coatings (GTBCs) have beenproduced by co-deposition of mixtures of A1-Al2O3-YSZ onto metallic bond coat (BC) bymeans of EB-PVD[4'5]. Compared with tradition…     

ZrO2／Ni阶梯热障涂层的热冲击行为

研究了ＺｒＯ２／Ｎｉ阶梯热障涂层在火焰喷烧和水淬炳途中热冲击条件下的失效行为,建立了梯度热障涂层在火焰喷烧和水淬热冲击条件下一维温度场应力场的解析模型,实验结果表明,涂层的抗热冲击能力在火焰喷烧条件下随层次折增加而增强,在水淬热冲击条件下却随层次的增加而降低,证实涂层的抗热冲击能力与热冲击条件有关,并取地表面换热系数的大小与方向,故评价涂层的抗热冲击能力时须合理选择热冲击条件,按梯度设计,能大大提     

热障涂层的性能评价

热障涂层用于涡轮发动机的热端部件可显著提高其使用温度,延长部件的使用寿命,并提高发动机的效率。文中对热障涂层的力学性能、抗氧化和抗热腐蚀、抗磨蚀和热学特性等性能的评价及性能判断与分析进行了综合回顾。     

垂直裂纹对EB-PVD热障涂层热循环失效模式的影响

对电子束物理气相沉积（EB-PVD）双层结构热障涂层在热循环过程中形成的陶瓷层垂直裂纹对涂层失效模式的影响进行了研究.结果表明,陶瓷层表面垂直裂纹出现在热循环初期,但并未造成涂层的早期剥落;随着热循环次数增加,垂直裂纹网格变密.有限元计算表明,垂直裂纹的形成在试样中部产生了类似于试样边缘的剪应力集中效应.经过长时间热循环后,当陶瓷层等轴晶区的强度或者热氧化生长层（TGO）的强度小于边缘效应产生的剪应力时,涂层在试样的中部以垂直裂纹网格形状发生剥落失效.     

爆炸喷涂空心球形氧化锆热障涂层的抗热冲击性能

在镍基高温合金基体DSM11上制备双层结构的热障涂层．粘结底层采用电弧离子镀技术制备的NiCoCrAlY涂层,陶瓷顶层采用爆炸喷涂技术制备的Y2O3部分稳定的ZrO2(YSZ)陶瓷涂层,粉末采用普通实心YSZ粉、空心球形YSZ粉对制备的热障涂层进行热导率测定和热冲击性能实验．结果表明：爆炸喷涂制备的空心YSZ陶瓷层涂层具有低的热导率和良好的抗热冲击性能。