热循环作用下圆筒基体热障涂层的失效过程分析

用等离子喷涂的方法在高温合金圆筒上制备热障涂层,通过红外线辐照圆筒外部对试件进行加热以及内部通冷却空气强制冷却的方法对热障涂层系统进行了热循环失效试验。利用有限元工具ABAQUS对热障涂层系统中的瞬时温度场与应力场进行了计算以分析热障涂层的失效原因。计算结果表明,试样处于稳态最高温度时以及降温过程开始的很短时间内,陶瓷层中出现较大的周向拉应力,该应力将导致热障涂层出现表面垂直裂纹;陶瓷层与粘接层界面的径向应力不足以引起界面的开裂,界面的起裂来源于垂直裂纹出现后所带来的边缘效应。     

热障涂层界面应力测试研究进展

热障涂层为先进的抗热防腐高温防护涂层,广泛应用于航空航天的燃气涡轮叶片上。其多层结构特点以及复杂的服役环境往往造成层间界面裂纹与涂层剥离的失效形式。残余应力作为诱导裂纹产生和扩展的直接原因,检测残余应力的演变对研究涂层失效有着重要的指导意义,也是研究最为广泛的内容之一。介绍了热障涂层各层间残余应力的形成与主要影响因素,阐述了热障涂层/高温合金体系多层界面结构的应力检测方法的检测原理与研究进展,同时比较了这些检测技术在热障涂层中的适用范围以及优缺点。     

基于内聚力模型的热障涂层失效行为研究

热障涂层以其优异的隔热、耐磨和耐蚀性而被广泛应用于航空涡轮发动机中,其能够提高发动机的热效率和延长涡轮叶片的使用寿命。热障涂层的失效往往是裂纹扩展导致,其主要失效形式为表面开裂和界面分层失效。针对热障涂层的裂纹扩展行为,最重要也最直接的研究方法就是对热障涂层的整个损伤失效过程进行数值模拟,以便深入了解涂层失效过程及失效机理。内聚力模型能够比较精确地描述界面开裂问题,在一定程度上可减轻甚至消除裂纹尖端的应力奇异性,可以模拟任意裂纹扩展,故而在裂纹扩展研究中得到了广泛应用。采用内聚力模型模拟热障涂层表面开裂和界面分层失效的过程中,通常把内聚力单元预埋在可能出现裂纹的实体单元之间,当材料发生破坏时,裂纹就会沿着内聚力单元排布的方向形成和扩展。然而造成热障涂层损伤失效的因素较多,失效机理复杂,以及内聚力模型本身的缺陷性,使得利用内聚力模型模拟热障涂层失效过程的研究还不够全面。目前已经通过内聚力模型实现了热障涂层的损伤失效过程模拟,包括表面开裂过程和界面分层失效过程。当前研究大多忽略了涂层内部的微细观缺陷而将热障涂层视为均质材料进行研究,并且内聚力模型本身还存在一些问题,如参数的确定等。随着热障涂层的发展以及对内聚力模型认识的不断加深,内聚力模型模拟热障涂层损伤失效过程也在不断发展与完善。在表面开裂模拟方面,通过在陶瓷涂层内垂直嵌入内聚力单元来模拟陶瓷层内表面裂纹的扩展行为。陶瓷涂层内裂纹扩展行为的模拟大多采用扩展有限元法,内聚力模型的应用相对较少,而内聚力模型可有效解决界面开裂问题,特别是粘结层/陶瓷界面开裂问题,故而被广泛应用于热障涂层界面失效问题的研究中。本文对内聚力模型进行了简要介绍,总结了内聚力模型在模拟热障涂层损伤失效过程方面的研究进展,指出了当前研究中存在的问题并对其下一步的发展进行了展望。     

粘结层中Co与Ni元素含量对热障涂层组织及寿命的影响

高温服役过程中热障涂层的MCrAlY粘结层形成致密的氧化铝层,从而提高了涂层和基体的抗氧化性能。利用等离子喷涂制备的热障涂层,其粘结层中的Co与Ni的含量和界面微观结构是影响氧化的重要因素。通过在Ni基高温合金基体上利用低压等离子喷涂(LPPS)分别制备粘结层为CoNiCrAlY和NiCoCrAlY的热障涂层进行高温循环氧化实验,比较研究了这两种热障涂层在1 050℃下的循环氧化寿命和失效特征。研究表明粘结层表面形貌对氧化物的生长具有重要影响,其中CoNiCrAlY粘结层更易在TGO层中形成尖晶石氧化物,最终无法形成连续的Al_2O_3层,导致涂层失效,而NiCoCrAlY粘结层表现出不同的失效方式。同时,粘结层和基体中Ni、Co等元素在氧化过程中存在强烈的互扩散,Co与Ni含量对两种涂层BC/基体界面处宏观空洞的生长产生了不同影响。     

高温热处理对等离子体喷涂的纳米氧化锆热障涂层的影响

热障涂层已广泛用于燃气发动机燃烧室等高温零部件上。纳米热障涂层韧性改善,厚度可以增加,能够提高零部件使用温度和使用寿命。首先利用低压等离子体在镍基体上喷涂制备NiCoCrAlYTa金属中间结合层和大气等离子体喷涂制备Y_2O_3部分稳定的ZrO_2纳米陶瓷面层,然后将纳米氧化锆热障涂层样品在大气中于1050～1250℃温度范围内煅烧处理2～20h。通过扫描电镜和X射线衍射仪分析纳米氧化锆热障涂层高温煅烧前后的组织结构变化和相组成变化,并与常规微米氧化锆热障涂层进行比较。研究结果表明:经高温煅烧后,纳米氧化锆热障涂层中晶粒大小和在陶瓷面层/金属中间结合层界面上形成的TGO的厚度随煅烧温度升高和时间的延长而增大;纳米热障涂层中TGO的增长速度比常规微米热障涂层快;纳米热障涂层经高温煅烧空气中冷却后,主要由四方相组成;与常规微米热障涂层的相组成比较,纳米氧化锆热障涂层中的四方相为低稳定剂四方相。     

陶瓷／金属高温热障涂层研究进展

在高温恶劣环境下，热障涂层能够长期可靠工作是发展高效燃汽轮机的关键。热障涂层由金属底层和具有较低热导率的陶瓷表面层组成，其失效一般是因金属－陶瓷界面的不稳定而引起，可以通过降低氧的扩散和热应力改善涂层的性能；最后阐述了陶瓷／金属热障涂层的研究前景。     

稀土氧化物掺杂对YSZ热障涂层热物理性能影响的研究进展

随着航空发动机和燃气轮机(简称“两机”)服役温度的升高,目前,在两机热端部件表面防护方面应用最为广泛的热障涂层(Thermal barrier coatings, TBCs)存在陶瓷层材料氧化钇稳定氧化锆(Yttria-stabilized zirconia, YSZ)在高温下会发生相转变、热膨胀系数与金属基底不匹配以及烧结导致涂层的热导率升高等问题,严重影响TBCs的服役寿命。新一代TBCs陶瓷面层材料分为以下几类：(1)稀土氧化物稳定YSZ;(2)钙钛矿结构陶瓷材料;(3)稀土六铝酸盐或稀土钽酸盐;(4)烧绿石或萤石结构稀土锆酸盐。其中,稀土氧化物掺杂可有效降低YSZ热障涂层的热导率,提高其热膨胀系数、高温相稳定性及耐烧结性能,被认为是提高YSZ热障涂层高温稳定性的有效方法。基于此,本文重点阐述了单元或多元稀土氧化物掺杂YSZ热障涂层材料的研究进展,讨论了稀土氧化物掺杂对YSZ陶瓷面层高温相稳定性、热导率和热膨胀系数的影响机理。基于耦合作用机理为未来稀土氧化物掺杂YSZ热障涂层的研发提供一定的借鉴。     

MCrAlY涂层及热障涂层的研究进展

航空航天发动机等热部件MCrAlY(M=Ni,Co或Ni+ Co)涂层及热障涂层(TCBs)在恶劣的工作环境中具有抗高温氧化、抗热冲击、耐磨损、耐腐蚀等性能,可延长其使用寿命;但长期处于高温状态下的涂层易产生裂纹,最终剥落失效.对此,综述了MCrAlY涂层及热障涂层的高温防护机理、存在的问题及失效机理,总结了提高涂层使用寿命的研究现状及发展趋势,对MCrAlY涂层及热障涂层的应用和发展前景作了展望.     

陶瓷/金属功能梯度热障材料研究进展

梯度层中金属相在高温环境下的氧化是导致陶瓷／金属功能梯度热障材料失效的主要原因,限制了功能梯度热障材料的应用,叙述了陶瓷／金属功能梯度热障材料的研究进展,并讨论了其发展前景。     

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。     

圆柱基体热障涂层热冲击下失效的瞬态应力分析

用等离子喷涂方法在合金圆柱体上制备了热障涂层,并用水冷的方法进行了热冲击实验,试样的失效现象为轴向的开裂和剥落.利用有限元分析工具对热障涂层的热冲击进行模拟,通过对涂层内部应力随时间分布的分析发现:热冲击过程中陶瓷层表面的周向应力随着时间由拉转变为压,冷却初期陶瓷层的周向拉应力值较大,超过了陶瓷层的抗拉强度,因而淬冷初期的周向应力是导致轴向裂纹萌发的主要原因;陶瓷层与粘结层接触面上的径向拉应力与粘结层的氧化生长引起界面开裂;轴向裂纹和界面开裂共同导致陶瓷层的剥落.     

影响热障涂层失效因素的研究现状及展望

热障涂层(TBCs)具有良好的隔热性能,是燃气轮机高温部件的关键材料,在高温服役过程中,涂层脱落会导致部件工作失效,因此为获得长寿命热障涂层,涂层的脱落失效机理是急需深入研究的问题。综述了热应力、α-Al_2O_3生长、外应力、热生长氧化层(TGO)起伏及孔隙率等缺陷对涂层应力发展的影响,探讨了微裂纹的产生、扩展及脱落的失效过程,最后展望了研究热障涂层失效及提高涂层寿命的努力方向和前景。     

热障涂层应力产生机制及分布特征

热障涂层因优异的耐高温、耐磨损和耐腐蚀性等优点,被广泛应用在航空发动机等热端部件表面.热障涂层作为零件表面的服役载体,在外界热腐蚀、热梯度应力和机械载荷应力的作用下,易出现表面开裂及界面涂层剥落,这是限制热障涂层长时间使用的瓶颈问题.热障涂层由基体、粘接层、陶瓷层构成,涂层材料特性不同,界面处应力应变分布也不同,在外界载荷条件下,涂层与基体如何实现协同变形,应力如何传递等问题目前尚无明确解释.因此本文主要针对外加载荷作用下,热障涂层内部的应力传递及界面的应力分布问题进行研究.总结当前热障涂层的弹塑性应力模型和损伤应力模型,获得涂层界面应力分布规律,即弹塑性变形阶段,涂层界面应力于一端发生应力集中,并且基体与粘接层界面应力大约是陶瓷层与粘接层界面应力的四倍.随着载荷的增加,涂层表面损伤加剧,其剪滞模型的界面正应力更加符合四分之一椭圆函数,界面剪切应力呈反对称分布,应力分布特征为研究热障涂层在外载条件作用下对裂纹损伤演化行为的影响提供理论依据.     

等离子喷涂制备铪酸钇热障涂层及其性能的研究

采用大气等离子喷涂(APS)设备在高温合金(GH49)基体上制备了Y2Hf2O7热障涂层.采用金像显微镜对所制得涂层的截面进行观察,并对其孔隙率进行测量,测得结果为13.77％.采用对耦拉伸法对制得涂层的结合强度进行测试以检验涂层基本性能,所得结合强度为25.13MPa.为检验涂层抗热冲击性能,对涂层试样实施整体热冲击实验,经10次整体热冲击后表现为边缘处出现少量的剥落,其失效主要是在陶瓷层粒子与黏结层的界面处.陶瓷层与金属黏结层界面处因热膨胀系数差异导致的热应力和陶瓷层自身强度较低是涂层失效的主要原因.     

改性MCrAlY涂层的研究进展

热防护涂层可以有效阻止高温、高压、高速等严苛环境造成的高温氧化、疲劳失效等问题,被广泛用于航空发动机与燃气轮机热端部件的热防护。在热防护涂层体系中,MCrAlY(M代表Co、Ni或两者的组合)涂层作为抗氧化、抗热腐蚀覆盖层以及热障涂层系统中的粘结层,以其优异的抗热腐蚀性能及灵活的选择性得到广泛应用。为进一步提高MCrAlY涂层热稳定性及延长其使用寿命,满足使用温度超过1 000℃的要求,众多制备与改性方法应运而生。为进一步拓展MCrAlY涂层的应用,本文系统总结了MCrAlY涂层的发展历程及制备方法,重点梳理了掺杂元素、氧化物分散强化、纳米涂层、真空热处理、激光表面处理及梯度结构设计等改性方法,并在此基础上对MCrAlY涂层的未来发展方向进行了展望。     

超音速微粒轰击粘结层对热障涂层抗氧化性能的影响

较长时间高温氧化,会使金属粘结层与热生长氧化物界面处贫铝,造成热喷涂陶瓷层失效.对金属粘结层进行超音速微粒轰击,可以增加铝扩散的浓度梯度,提高热障涂层的抗氧化能力.采用等离子喷涂(APS)在镍基高温合金GH99上制备了热障涂层,并对粘结层进行了超音速微粒轰击处理,研究了该处理工艺对粘结层显微结构及高温氧化行为的影响.结果表明:APS热障涂层经1 050 ℃、96 h氧化后.热生长氧化物层产生大量非保护性混合氧化物;超音速微粒轰击工艺使粘结层表层区域产生大量位错等缺陷,涂层经1 050 ℃、3 h氧化后进入稳态氧化期,同时出现Al在粘结层表层的富集,经1 050 ℃、196 h氧化后粘结层无加速氧化趋势,热障涂层的抗高温氧化性能得到提高.     

粗糙度对热障涂层冲蚀失效的影响及模型建立

采用气体喷砂试验机研究了大气等离子喷涂(APS) ZrO₂-7%Y₂O₃(7YSZ)热障涂层的冲蚀失效机理, 分析了陶瓷层表面粗糙度对热障涂层冲蚀磨损率及失效行为的影响, 研究了基于多孔层状的热障涂层在常温高速粒子90°攻角下的冲蚀失效特征, 探讨了多孔层状结构对涂层冲蚀失效演变机制的作用, 此外, 建立了基于粗糙度的冲蚀失效数学模型。研究结果表明: 冲蚀磨损率与陶瓷层表面粗糙度呈线性递增关系; 涂层在高速粒子冲蚀下多孔层状结构加剧了涂层的冲蚀失效; 涂层表面在粒子冲蚀下承受着非均匀、非连续的压-压脉动循环载荷, 在微凸粗糙表面承载着正应力和切应力的相互作用; 正应力迫使涂层出现凹坑, 切应力易导致涂层出现沟槽, 并同时以原喷涂态表面网状裂纹为策源地诱发裂纹在粒子晶界和层间界面萌生扩展导致涂层产生粒子和片状剥落, 最终涂层显示出典型的磨粒磨损和低周疲劳失效形式。     

YZrHf热障涂层的制备及热震性能分析

目的 研究喷涂态YZrHf热障涂层的微观组织及其抵抗高温热冲击的性能,探讨高温条件下热生长氧化物(TGO)对陶瓷层的影响。方法 采用大气等离子喷涂(APS)技术制备厚度约为300μm的YZrHf热障涂层,并将涂层在950℃下保温15 min后进行水冷循环热震实验,直至涂层剥落失效,使用SEM、EDS、X射线衍射仪对制备态及热震实验后的热障涂层微观组织进行分析。结果 涂层表面粗糙不平且分布有十几到几十微米长度的网状裂纹,这些相互贯通的裂纹为氧气的进入提供了通道。经过101次循环热震实验后,涂层部分区域剥落失效,SEM结果显示,在陶瓷层/黏结层界面处、黏结层内部均出现了热生长氧化物,且在陶瓷层中分布有横向、纵向的贯通性裂纹,而在TGO生长区域,也出现了一些小裂纹,但涂层并未剥落。经测定分析可知,TGO的主要成分为Al₂O₃、Cr₂O₃、NiO以及尖晶石氧化物组成的混合物(CSN)。结论 热震实验后TGO层中Al元素贫化,Ni、Cr等元素向界面处迁移参与反应,同时尖晶石氧化物以α-Al₂     

长春应化所热障涂层的设计和失效机理研究获进展

正中科院长春应用化学研究所在热障涂层的设计思路、失效机理以及新型热障涂层材料研发等方面取得新进展,设计并成功制备出使用温度≥1250℃的双陶瓷层热障涂层材料,"热障涂层的设计和失效机理研究"成果(主要完成人:曹学强等)荣获2013年吉林省自然科学奖一等奖。     

航空发动机涡轮叶片热障涂层研究进展

涡轮叶片的热障涂层技术是保障和提升航空发动机性能的关键技术之一，涡轮叶片的工作环境要求热障涂层需要具备隔热性能好、热膨胀系数与基材相匹配、抗氧化性能好、抗熔盐腐蚀性能好等一系列特点，这对热障涂层的材料、结构以及制备工艺提出了巨大的挑战，是当前航空发动机领域的热点研究之一。本文对构成热障涂层的金属粘结层和陶瓷层材料，以及热障涂层体系结构的研究现状做了详细介绍，并简要介绍了常用的热障涂层制备方法，展望了金属粘结层和陶瓷层材料体系和制备技术的发展趋势，以期为未来航空发动机涡轮叶片热障涂层体系的构建提供有益参考。