航空发动机涡轮叶片热障涂层失效分析研究

采用扫描电镜及能谱对航空发动机涡轮叶片热障涂层进行失效分析,将叶片划分为9个区域,发现其前缘区域由于涂层的使用温度高、粘结层氧化、尖晶石等大量生长,导致在TGO/陶瓷层界面处产生大量的生长应力,呈TGO/Top coat界面分层失效。后缘区域呈粘结层/基体分层分裂失效,同时所有区域都有CMAS腐蚀。CMAS附着在涂层表面,沿着纵向裂纹等缺陷渗透到涂层内部,引发涂层产生横向分层,并导致涂层腐蚀剥落。     

镍基合金涡轮叶片热障涂层研究进展

热障涂层技术是提升航空发动机性能的关键因素之一,随着航空发动机技术的发展,对热障涂层也提出了更高的要求。为适应镍基合金涡轮叶片热胀涂层的使用要求,热胀涂层的陶瓷面层发展出（YSZ+A2B2O7）结构涂层。热障涂层陶瓷面层常用的制备方法包括等离子喷涂技术和电子束物理气相沉积技术,金属粘结层常用的制备方法包括真空电弧镀技术和化学气相沉积技术。热障涂层低膨胀系数金属粘结层技术、热障涂层修复技术、新一代热障涂层材料、建立科学的热障涂层性能评价体系等是未来热障涂层的主要发展方向。     

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.     

航空发动机涡轮叶片热障涂层研究现状

热障涂层是一种可以有效保障航空发动机涡轮叶片正常工作,同时显著提高其工作效率和服役时间的表面防护技术。热障涂层的性能在很大程度上影响叶片的承温和抗腐蚀能力,进而间接影响航空发动机的服役性能。涂层性能主要受其结构和材料2个方面的影响。介绍了涂层结构的优缺点和研究进展,当前常见的结构形式有双层结构、多层结构和梯度结构;介绍了粘结层材料的研究进展;对陶瓷层材料的研究进展进行了详述,如YSZ的掺杂改性、A₂B₂O₇型化合物、钙钛矿结构材料以及近年来兴起的几种高熵陶瓷材料,其中高熵陶瓷材料包括：高熵稀土钽酸盐、铝酸盐、锆/铪酸盐、磷酸盐、硅酸盐以及高熵稀土氧化物,分别从热导率、热膨胀系数、断裂韧性、热循环寿命和抗腐蚀能力等方面对其进行介绍;概述了热障涂层常见的几种失效形式如：TGO失效、CMAS腐蚀以及高温烧结,并且对其发生机理进行简要的介绍;展望了热障涂层未来的发展趋势和方向。     

单面沉积热障涂层失效模式的研究

用电子束物理气相沉积方法(EB-PVD)制备了双层结构热障涂层,对其在热循环过程中的组织结构变化与失效模式用扫描电镜(SEM)与交流阻抗法进行了测试分析.结果表明,与双面沉积热障涂层的失效模式不同,单面沉积热障涂层的剥落发生在陶瓷层内,而不是发生在热氧化生长层内.应力分析表明,双面沉积的热障涂层在热循环过程中主要受到由于热不匹配所产生的平行于样品表面的剪切力的作用,而单面沉积的热障涂层则不仅受到剪切力的作用,而且还将受到沿样品法线方向应力的作用,从而导致在陶瓷层内产生开裂.用交流阻抗法可以有效地表征上述横向裂纹的萌生及其扩展.     

飞机APU涡轮导向叶片高温防护涂层失效模式分析

利用扫描电镜(SEM)、能谱分析仪(EDS)等分析了国内某型在役APU涡轮导向叶片的结构特征与热防护机理,研究了叶片失效件中高温防护涂层的厚度变化与失效模式。结果表明:飞机APU导向叶片中存在渗铝涂层+MCrAlY涂层与单一渗铝涂层2种不同的涂层结构;APU导向叶片失效件的MCrAlY涂层厚度从叶片尾缘—叶盆—前缘区域呈先增大后减小的趋势;受叶片构型影响,叶片尾缘区域涂层的氧化程度较严重,而叶盆区域越靠近前缘的位置涂层氧化损伤程度越低,但叶片前缘区域由于受CMAS腐蚀与高温氧化的耦合作用使得该区域涂层损伤最为严重。     

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。     

横向梯度温度场下热障涂层的失效分析

采用热障涂层服役环境性能实验模拟器,利用电化学阻抗谱针对横向梯度温度场条件下的热障涂层结构变化开展研究,并结合有限元方法对热力耦合作用下热障涂层的失效机理进行了分析,发现当管状试样处于两端约束受力状态下,加热区边缘为涂层易发生开裂部位。     

EB-PVD在热障涂层中的失效研究分析

电子束物理气相沉积（EB-PVD）是航空发动机涡轮叶片热障涂层（TBCs）的先进制备技术。随着EB-PVD TBCs的深入研究,TBCs失效也引起了众多研究者的重视。对EB-PVD TBCs的TGO（热生长氧化物）生长失效和CMAS（钙、镁、铝和硅酸盐）高温侵蚀失效两种主要机制进行了总结,分析了其失效机制和影响因素,以期为EB-PVD在TBCs中的应用提供理论基础。     

基于临界失效能密度判据的热障涂层热震损伤行为研究

目的探索热障涂层系统(TBCs)在热震过程中的损伤行为。方法基于材料能量储存极限,推导了适用于平面复杂应力情形的温度相关性临界失效能密度判据,进而利用该临界失效能密度判据与ABAQUS有限元软件相结合,研究了热生长氧化层(TGO)凸起的热障涂层系统在冷却热震过程中的损伤行为。结果对于TGO层凸起的热障涂层系统,计算了冷却热震过程中陶瓷层(TC)和TGO层的失效能密度分布云图,并根据最大失效能分布情况分析了TBCs在热震过程中各层材料的可能破坏位置,所得结果与实验吻合较好。在对TBCs的冷却热震损伤行为模拟计算中发现,当TC层的强度比较低时,热震会使TC层上表面产生往内部扩展的垂直裂纹;当TC层强度达到某一定值时,首先发生热震破坏的位置由TC层上表面变成了TGO层与粘结层(BC)的界面处,即TBCs的各层破坏顺序发生了变化。结论使用临界失效能密度准则来判断热障涂层在冷却热震过程中的损伤行为,比单纯使用某一方向应力更为准确,并能准确判断损伤起始位置和演化情况,从而更全面地反映热障涂层在热震过程中的损伤破坏行为。     

热生长下热障涂层残余应力及失效分析

针对典型热障涂层结构以界面开裂和涂层剥落为主要失效模式,考虑界面凹凸微观形貌特征,借助材料转换的方法实现氧化生长,利用粘弹塑性有限元法,研究了氧化层热生长和蠕变等因素对热障涂层残余应力的影响,并从应力应变循环演化的角度对热障涂层系统中微裂纹的萌生位置进行了预测。结果表明,随着氧化层厚度的增大,垂直于界面方向的残余应力迅速增大;材料蠕变对热障涂层系统应力释放作用显著;从残余应力和应变演化的角度进行评价,结构中的微裂纹会率先出现在粘接层凸峰以及陶瓷层/氧化层/黏结层界面的中间位置,仿真分析结果与试验结果一致。     

热障涂层在飞机APU中的应用、失效形式与维护方法

飞机辅助动力装置（Auxiliary Power Unit,APU）是当前主流民用飞机上必不可少的部件,而热障涂层在APU中的应用能够减少发动机油耗、提升效率、延长热端部件的使用寿命。首先概述了飞机辅助动力装置的结构和工作原理,以及热障涂层的材料及结构体系。其次归纳了飞机APU常见热端部件中热障涂层的制备技术及应用特点,主要对大气等离子（AirPlasmaSpraying,APS）和电子束物理气相沉积（Electron–Beam Physical Vapor Deposition,EB–PVD）等2种热障涂层进行了论述。在此基础上,重点综述了热障涂层在民用飞机APU中的典型失效形式,包括高温氧化失效、烧结失效、CMAS腐蚀、颗粒物冲击等,同时结合热障涂层热生长氧化物（Thermally Grown Oxide,TGO）生长、应变能释放、蠕变与疲劳、颗粒物沉积、外来物损伤等行为,对以上失效形式的失效机理进行了重点论述;分别从微观结构观察、断裂力学参数计算、有限元建模等方面详细阐述了飞机APU热障涂层的失效分析手段与方法。最后结合航空公司的实际运营情况对提升APU使用寿命和系统可靠性给出了...     

燃气轮机热障涂层的研究现状与发展趋势

综述了热障涂层的原理、作用、组成和制备方法、失效模式等方面的研究现状,在此基础上探讨了热障涂层的发展趋势.     

航空发动机热障涂层的CMAS腐蚀行为与防护方法

热障涂层(thermal barrier coatings,TBCs)是航空发动机涡轮叶片的关键核心技术之一,可显著提高发动机工作温度,提升发动机推力和工作效率;但另一方面,更高的发动机工作温度使得叶片及其表面TBCs遭受严重的环境沉积物(主要成分为CaO、MgO、Al2O3和SiO2,简称CMAS)腐蚀,造成过早失效.CMAS腐蚀已成为限制TBCs工作温度和服役寿命的难题,抗腐蚀防护是目前TBCs领域研究的重点.本文首先综述了学者们对TBCs CMAS腐蚀问题的认识历程以及CMAS本身特性,再简述了TBCs的CMAS腐蚀机理,重点从TBCs的表面防护层设计、涂层成分改性、新型抗腐蚀涂层材料开发以及涂层结构设计等方面阐述了国际上目前TBCs的抗CMAS腐蚀防护方法,最后对TBCs的超高温环境应用及腐蚀防护发展方向进行了展望.     

气膜冷却涡轮导叶热障涂层热应力的数值模拟

基于CFD模拟获得的气膜冷却涡轮导叶不均匀温度场,考虑TGO热生长增厚和合金材料的塑性和蠕变行为,对涂层热应力进行了模拟。结果表明,高温区域出现在叶盆和叶背中后部,以及叶栅入口处端壁边缘,涂层使得叶身处合金材料最高温度下降了30℃。在高温工作初期,涂层热应力集中范围更广,易发生早期开裂,而随着高温时间累积,合金材料的蠕变和塑性行为减小了涂层及合金的应力集中范围,并在200~400 h内趋于稳定。TC在叶身处的应力集中区出现在邻近尾缘区域、叶背最大曲率处,以及进气边靠近上下端壁的气膜孔区域;在端壁处的应力集中区初期主要出现在叶栅入口处的进气侧边缘和上端壁气膜孔区域,高温工作时间累积后仅集中在上端壁气膜孔区域。TGO热生长区域应力集中明显,400 h后厚度达到4.79μm,易诱发涂层剥落。