DZ466合金热障涂层CoCrAlY黏结层1050℃氧化行为

采用电子束物理气相沉积(EB-PVD)法在一种新型定向合金DZ466试样上沉积CoCrAlY黏结层和Y2O3部分稳定的ZrO2(YSZ)陶瓷层,对试样进行1050℃循环氧化实验并研究其氧化行为。采用X射线衍射仪、扫描电镜以及电子探针对涂层进行显微组织分析。结果表明:在1050℃氧化1500h(热循环31次)后,热障涂层未出现脱落现象。沉积态CoCrAlY黏结层主要由β-CoAl相和γ-Co固溶体相组成;1050℃氧化后,在黏结层与陶瓷层界面生成热生长氧化物(TGO)层,黏结层逐渐发生退化,β-CoAl相逐渐转化为γ-CoNi固溶体;氧化1200h后,TGO/黏结层界面出现由活性元素效应导致的氧化物栓;TGO层皱曲行为导致TGO/陶瓷层界面出现微裂纹,并且该微裂纹沿界面横向扩展。TGO的厚度增长模式符合分段抛物线规律,初期氧化速率常数约为6.1×10-14cm2/s,氧化400h后,氧化速率常数减小,为3.5×10-14cm2/s。     

8YSZ双层热障涂层缺陷演变与微裂纹水浸超声宏观检测

采用PASCAN-64型水浸超声设备并配合扫描电镜对8wt %Y₂O₃-ZrO₂(8YSZ)双层热障涂层热震过程中内部组织结构演变进行了检测。结果表明, 当超声波从垂直陶瓷层方向入射至粘结层反射所获得的回波信号影像主要反映了陶瓷层组织结构演变, 从垂直基底方向入射至粘接层/陶瓷层界面处反射所获得的回波信号影像主要反映了热生长氧化物层组织结构演变, 从垂直陶瓷层方向透射整个试片所获得的回波信号影像综合反映了整个涂层组织结构演变。当陶瓷层中均匀分布着孔隙率<11%、最大横向尺寸<50 μm的孔隙以及热生长氧化物层主要为致密的α-Al₂O₃时, 回波信号的幅值dB<0, 反映在影像中的信号分布均匀, 表明涂层处于良好状态。当陶瓷层中均匀分布着孔隙率>44%、最大横向尺寸>100 μm的孔隙以及热生长氧化物层主要为具有稀疏结构且厚度>5.2 μm的Cr、Co氧化物时, 回波信号的幅值dB>0的区域连接成片, 则预示着涂层即将失效或已失效。可见, 水浸超声技术能够较准确地反映热障涂层内部组织结构演变, 是一种较好的热障涂层内部缺陷的无损检测方法。     

热震中7YSZ热障涂层结构演变

采用低温超音速等离子喷涂(LT-HVOF)在镍基高温合金基体上制备了NiCoCrAlYTa粘结层, 使用大气等离子喷涂(APS)在粘结层上`制备了7wt%Y₂O₃-ZrO₂ (7YSZ) 陶瓷层。基于动态试验即热震实验研究了粘结层的扩散氧化机制, 探讨了陶瓷层的烧结及相变过程并观察了涂层的结构演变。实验结果表明: 动态热循环下随着热震次数的增加, 粘结层组元扩散氧化形成热生长氧化物(TGO)且厚度逐渐增加。此外, 粘结层组元在温度梯度下沿陶瓷层内部裂纹向高温区扩散, 最终在陶瓷层表面裂纹区域出现大量的金属氧化物, 同时粘结层组元的扩散有助于陶瓷层的烧结, 导致其显微硬度逐渐增大, 而粘结层由于Kirkendall效应, 其内部出现大量的孔洞导致其显微硬度逐渐降低。另外, 陶瓷层在相变及热循环应力的作用下表面出现了大尺度的宏观裂纹。     

晶界“背脊”形貌对热障涂层热冲击寿命的影响

采用化学气相沉积和电子束物理气相沉积工艺在镍基单晶高温合金基体上制备了(Ni,Pt)Al/YSZ(Yttira stabilized zirconia,YSZ)热障涂层(Thermal barrier coatings,TBCs),研究了TBCs涂层在1100℃的抗热冲击性能。结果表明,陶瓷涂层的剥落位置主要出现在热生长氧化物(Thermally grown oxide,TGO)层/粘结层的界面或者TGO层内部。试验过程中,粘结层表面晶粒晶界"背脊"形貌共存、TGO层下方孔洞形成、陶瓷层内纵向裂纹延伸和TGO层内残余应力释放均是导致TBCs涂层过早剥落失效的主要原因。     

CMAS环境下电子束物理气相沉积热障涂层的热循环行为及失效机制

航空发动机涡轮叶片工作时表面经常产生CaO-MgO-Al₂O₃-SiO₂(简称CMAS)等沉积物。本文中研究了电子束物理气相沉积(EB-PVD)制备ZrO₂热障涂层(TBCs)在CMAS环境下的热循环行为及失效机制。结果表明, 在1200℃热冲击条件下, 表面涂覆CMAS的热障涂层的热循环寿命低于100次, 而未涂覆CMAS的涂层寿命达到500次以上, CMAS 的存在加速了热障涂层的剥落失效。在1200℃经过210次循环后, ZrO₂陶瓷层与CMAS之间形成了约8 μm厚的互反应区, 其形成主要与CMAS中Ca²⁺内扩散有关。CMAS环境下热障涂层陶瓷层产生大量横向裂纹, 涂层的失效主要以陶瓷层片状剥落为主。     

涂覆热障涂层构件的热梯度机械疲劳行为研究

研究了应变幅、预氧化及高温保载时间对涂覆热障涂层高温合金样品的热梯度机械疲劳性能的影响。结果表明,随应变幅增大,样品疲劳寿命降低。随着预氧化及高温保载时间的增加,样品的氧化损伤增大,疲劳寿命也不断降低。试验过程中,粘结层氧化形成的热生长氧化物层(TGO层)破裂而萌生裂纹,裂纹沿粘结层/TGO层界面扩展而形成分层裂纹,分层裂纹与陶瓷层内贯穿裂纹连接导致陶瓷层剥落而失效。考虑到热障涂层内最大应力及氧化损伤,建立了一个涂覆热障涂层高温合金样品的热梯度机械疲劳寿命预测模型。     

LaMeAl11O19/YSZ热障涂层热力学性能和热循环寿命

LaMeAl₁₁O₁₉陶瓷具有独特的晶体结构, 优异的热力学性能, 低热导率, 高温相稳定性等特点, 是一类非常有应用前景的热障涂层(TBC)材料。本研究通过大气等离子喷涂(APS)制备了LaMeAl₁₁O₁₉/YSZ (Me=Mg, Cu, Zn)双陶瓷层热障涂层。通过对涂层进行火焰热循环测试并结合扫描电子显微镜、X射线衍射仪等分析技术对涂层进行失效分析。结果表明, LaMgAl₁₁O₁₉ (LMA)、LaZnAl₁₁O₁₉ (LZA)和LaCuAl₁₁O₁₉ (LCA)粉末在等离子喷涂过程中发生了分解, 导致三种涂层中磁铅石相含量的差异, 从而影响三种涂层的热循环寿命。由于LaMeAl₁₁O₁₉层与YSZ层的热膨胀系数不匹配以及非晶相重结晶产生的体积收缩, LaMeAl₁₁O₁₉层从YSZ层上剥落。YSZ层暴露在高温下, 加速了烧结和TGO的生长, 又促进了YSZ层剥落。低温下, LaMeAl₁₁O₁₉的热导率随着Me原子序数增加而降低; 高温下, 与LMA和LZA相比, LCA涂层红外发射率最高(0.88, 600 ℃), 削弱了光子传导对热导率的贡献, 导致热导率降低, LCA在高温红外辐射涂层中具有潜在的应用价值。     

杂质对氧化锆热障涂层性能的影响

降低热障涂层面层中的低熔点杂质含量,可提高涂层的高温稳定性和延长服役寿命。SiO₂、Al₂O₃和Fe₂O₃是氧化钇稳定氧化锆(Yttria-Stabilized Zirconia, YSZ)热障涂层中几种常见的低熔点氧化物杂质,均会对涂层的性能产生一定的影响。本研究采用大气等离子喷涂法,制备SiO₂、Al₂O₃和Fe₂O₃的含量从小于0.01wt%增加至1.00wt%的YSZ热障涂层。采用扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)研究了上述涂层的微观结构;采用激光热导仪测试了涂层的热扩散系数和抗热震次数。研究结果表明,低熔点氧化物杂质对YSZ涂层的导热性、热处理状态的孔隙率具有明显影响,且更容易引起涂层的热震失效。当杂质氧化物含量在小于0.2wt%范围内变化时,涂层的性能变化更为显著。     

镀铝表面改性7YSZ纳米热障涂层热震性能分

为提高7YSZ纳米热障涂层的热震性能, 实验中采用超音速火焰喷涂(HVOF)在涡轮叶片模拟工件上制备了粘结层NiCrCrAlYTa, 再使用大气等离子喷涂(APS)在粘结层上制备了7YSZ纳米陶瓷层。采用磁控溅射在7YSZ热障涂层样品表面镀铝, 并在不同压力下(200、250、300 Pa)对镀铝样品进行热处理表面改性。对喷涂态样品和镀铝改性后样品进行水淬热震实验, 1050℃保温10 min+水冷5 min为一个热循环, 观察热障涂层镀铝改性前后样品在水淬热循环过程中形貌和结构演变。实验结果表明, 镀铝改性后样品表面存在铝薄膜蒸发、凝固后形成的疏松纳米Al晶粒表层以及由Al和ZrO₂原位反应形成的致密α-Al₂O₃底层。在镀铝样品热处理过程中, 随着压力升高, 疏松层致密度逐渐增加。不同热处理压力下镀铝表面改性后样品经过73次水淬热循环后剥落面积均小于喷涂态样品, 显示出良好的抗热震性。     

TGO对热障涂层失效的作用分析

热生长氧化物(TGO)的形成与长大是热障涂层失效的根本原因。先在IC10高温合金基体上超音速火焰喷涂(HVOF)NiCoCrAlTaY粘结层(BC层),再等离子喷涂二元稀土氧化物稳定氧化锆Sc2O3-Y2O3-ZrO2,喷涂样在1 100℃恒温氧化,利用扫描电镜(SEM)、能谱仪对断面形貌、成分进行分析,讨论了TGO的形成机理及其与热障涂层失效的关系。结果表明:随着恒温氧化时间增加,TGO层底部的Al含量下降,上部、中间弥散颗粒及底部的Ni含量均增加,上部、中间弥散颗粒中Cr含量均减少;喷涂样氧化140 h后,TGO层由靠近陶瓷层的富(Cr,Al)2O3层、弥散其间的富Ni颗粒和靠近BC层的Al2O3层组成;TGO的生长速度先由Al与O2化学反应速度决定,接着受BC层金属元素扩散速度影响,最后由化学反应速度和扩散速度共同控制;减少TGO中的有害氧化物含量以降低涂层内的应力,可有效提高涂层的使用寿命。     

非对称热环境下人体热舒适度模型研究进展

本文根据热空间模型、人体热生理模型和人体热心理模型的分类标准,对非对称热环境下人体热舒适度研究进行全面综述。热空间模型通过空调、环境参数直接预测人体客观、主观反应,人体热生理模型通过研究人体内部主动、被动生理调节预测人体生理参数,人体热心理模型侧重研究生理参数和主观反应的联系或人体如何适应热环境,最后概述了各模型的优点及局限。结果表明:热空间模型与选用的空间结构具有重大联系,一旦空间结构改变,模型建立的很多关系便无法成立,在车辆的应用领域价值更大;大多数热生理及热心理模型不够全面或仅限于特定环境,只有少数能够通过详细的体温调节解决人类对非均匀和瞬态条件的反应; Berkeley热舒适模型同时涵盖了热生理及热心理模型,但其耦合模拟过程过于复杂,而等效温度模型虽然精度相对较低,但由于其运算简便受到更广泛的应用;自适应模型充分考虑了人的主观能动性,但仍处于初级研究阶段。     

人体热适应性与热舒适

本文参阅国内外研究成果,讨论了人体热适应性与热舒适的关系,介绍了实验室研究中的适应性和实测调查研究的适应性,对影响人体热舒适的行为调节适应、心理调节适应以及生理调节适应进行了分析,认为热适应性研究对人体的热舒适具有重要意义.     

有机保温材料热解行为的研究进展

介绍了热降解机理和有机保温材料的热解行为的研究进展,着重介绍了聚苯乙烯类(EPS和XPS)、聚氨酯类(PU)和橡塑保温材料(NBR/PVC)3种有机保温材料近年来的热解研究进展,指出其重要的研究手段通常是热分析技术或热分析与其他技术联用,同时也阐述了有机保温材料热分析今后的研究发展方向。     

热障涂层热导率的研究进展

简要回顾了热障涂层体系的发展,讨论了氧化锆陶瓷材料的传热规律,包括涂层微观结构、陶瓷成分等因素的影响.同时指出了改进陶瓷涂层热导率的方法和开发适用于更高温度下的陶瓷涂层材料的指导原则,并详细介绍了改善热障涂层热导率的研究现状.     

Influence of Thermal Strain on Thermal Properties of Composites

The temperature dependence of the thermal expansion characteristics of the AS21 magnesium alloy, AS21–25 vol% Saffil fiber composite and the Mg-10 vol% Saffil fiber composite has been measured in the temperature range from 20 to 380°C. The expansion characteristics were influenced by the residual and thermal strains. The residual strain was removed within the first thermal cycle. The relative elongation of the tensile pre-deformed AS21–25 vol% Saffil fiber composite is lower than that for the sample without deformation and for the composite pre-deformed in compression. The anisotropy of the thermal expansion is demonstrated on the Mg-10 vol% Saffil fiber composite. The coefficient of thermal expansion (CTE) in the transverse direction (TD) (the planes of the short Saffil fibers are laid perpendicular to the axis of the sample) is higher than the CTE in the longitudinal direction (LD) (the planes of the short Saffil fibers are laid parallel to the axis of the sample). The anisotropy and the thermal strain influence the thermal diffusivity for AS21 composites investigated at temperatures between 20 and 380°C.Paper presented at the Seventeenth European Conference on Thermophysical Properties, September 5-8, 2005, Bratislava, Slovak Republic.     

Realizing the Accurate Measurements of Thermal Conductivity over a Wide Range by Scanning Thermal Microscopy Combined with Quantitative Prediction of Thermal Contact Resistance

Quantitative thermal performance measurements and thermal management at the micro-/nano scale are becoming increasingly important as the size of electronic components shrinks. Scanning thermal microscopy (SThM) is an emerging method with high spatial resolution that accurately reflects changes in local thermal signals based on a thermally sensitive probe. However, because of the unclear thermal resistance at the probe-sample interface, quantitative characterization of thermal conductivity for different kinds of materials still remains limited. In this paper, the heat transfer process considering the thermal contact resistance between the probe and sample surface is analyzed using finite element simulation and thermal resistance network model. On this basis, a mathematical empirical function is developed applicable to a variety of material systems, which depicts the relationship between the thermal conductivity of the sample and the probe temperature. The proposed model is verified by measuring ten materials with a wide thermal conductivity range, and then further validated by two materials with unknown thermal conductivity. In conclusion, this work provides the prospect of achieving quantitative characterization of thermal conductivity over a wide range and further enables the mapping of local thermal conductivity to microstructures or phases of materials.     

High Thermal Conductivity of Sandwich-Structured Flexible Thermal Interface Materials

Thermal interfaces are vital for effective thermal management in modern electronics, especially in the emerging fields of flexible electronics and soft robotics that impose requirements for interface materials to be soft and flexible in addition to having high thermal performance. Here, a novel sandwich-structured thermal interface material (TIM) is developed that simultaneously possesses record-low thermal resistance and high flexibility. Frequency-domain thermoreflectance (FDTR) is employed to investigate the overall thermal performance of the sandwich structure. As the core of this sandwich, a vertically aligned copper nanowire (CuNW) array preserves its high intrinsic thermal conductivity, which is further enhanced by 60% via a thick 3D graphene (3DG) coating. The thin copper layers on the top and bottom play the critical roles in protecting the nanowires during device assembly. Through the bottom-up fabrication process, excellent contacts between the graphene-coated CuNWs and the top/bottom layer are realized, leading to minimal interfacial resistance. In total, the thermal resistance of the sandwich is determined as low as ~0.23 mm² K W⁻¹. This work investigates a new generation of flexible thermal interface materials with an ultralow thermal resistance, which therefore renders the great promise for advanced thermal management in a wide variety of electronics.     

室内热环境、热舒适与工作效率关系的研究

为研究室内热环境与热舒适、工作效率的关系,在镇江和上海的两个工厂采用环境参数测量和问卷方法进行了现场调查。结果表明,热舒适或热中性状态时工作效率不一定为最高,员工效率在稍微凉爽环境下达到最高。并且通过灰色分析得知,当环境温度适宜时,保持室内良好的空气品质能够使员工维持较高的工作效率。     

硝酸羟胺的热稳定性评估及热分解机理研究

为评估氧化剂硝酸羟胺的热稳定性,使用标准液体铝皿于3K/min、4K/min、5K/min加热速率下进行热分析。借助非等温DSC曲线的参数值,应用Kissinger法和Ozawa法求得热分解反应的表观活化能和指前因子,根据Zhang-Hu-Xie-Li公式、Hu-Yang-Liang-Xie公式、Hu-Zhao-Gao公式以及Zhao-Hu-Gao公式,计算硝酸羟胺的自加速分解温度和热爆炸临界温度,并对热分解机理函数进行了研究。设计了7条热分解反应路径,采用密度泛函理论B3LYP/6-311++G(d,p)方法对硝酸羟胺的热分解进行了动力学和热力学计算。计算结果表明,硝酸羟胺热分解的自加速分解温度TSADT=370.05K,热爆炸临界温度Tbe0=388.68K,Tbp0=397.54K,热分解最可几机理函数的微分形式为f(α)=17×(1-α)18/17。硝酸羟胺热分解各路径中,动力学优先支持路径Path 6、Path 5、Path 4和Path 1生成NO和NO_2,其次是Path 2、Path 7和Path 3生成N2和N_2O。温度在373K以下时,Path 1′反应无法自发进行,硝酸羟胺无法进行自发的热分解。从热力学的角度来看,硝酸羟胺在370.05K以下储存是安全的。     

非烧蚀防隔热材料表面热防护涂层的研究进展

防隔热材料在高速飞行器中扮演着重要的角色,而其表面热防护涂层更是决定高速飞行器能否成功运行的关键。从制备、机理和性能等方面回顾了不同类别非烧蚀防隔热材料表面热防护涂层的研究进展和应用现状,总结了传统热防护涂层存在的问题,并对未来航天领域的热防护涂层的研究进行了展望。