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。     

航空发动机热障涂层的CMAS腐蚀与防护研究进展

热障涂层（TBCs）广泛应用于先进航空发动机热端部件,可以有效提高发动机的工作效率和服役温度。随着发动机涡轮前进口温度不断提高以及工业生产和人类活动愈加频繁,TBCs面临严峻的CMAS腐蚀问题。目前CMAS腐蚀已经成为制约TBCs应用和发展的关键因素,如何提高TBCs的CMAS防护能力是TBCs领域的研究热点和难点。针对此问题,对不同类型CMAS的室温和高温特性进行总结,深入分析CMAS作用下TBCs的失效机制,总结TBCs的CMAS防护方法,综述TBCs的CMAS腐蚀与防护研究进展。结果表明,不同CMAS（如火山灰、沙石和灰尘等）的化学成分（质量分数）差异明显,影响了其高温黏度和熔化行为;高温下熔融CMAS渗入到涂层内部并与之发生化学反应,破坏了涂层的结构和性能稳定性,造成涂层失效;提出了增加惰性防护层、YSZ材料掺杂改性和研发新材料等方法,以提高TBCs的CMAS防护能力。最后对未来的CMAS防护新方法进行展望,对超高温长寿命TBCs的研制提供理论支撑。     

未来航空发动机热障涂层材料及制备技术

概述了未来航空发动机热障涂层最有前景的新材料、结构和制备工艺。新材料主要有改进型氧化钇稳定的氧化锆、A2B2O7型材料;新结构主要有双陶瓷层;新工艺主要为制备含垂直裂纹的热障涂层的改进大气等离子体喷涂、等离子喷涂-物理气相沉积、悬浮液等离子喷涂、电子束直接气相沉积。这些相互结合,必将促进高性能热障涂层的快速发展和应用,使其在未来航空发动机中发挥重要作用。     

发动机涡轮叶片热障涂层剥落原因分析

航空发动机涡轮叶片试车后存在热障涂层剥落现象,通过对涂层剥落叶片及对比件进行宏观及微观观察、显微硬度、化学分析等测试,结合生产工艺全流程的调查分析及验证试验,找到叶片涂层剥落的根本原因.结果表明:叶片热障涂层剥落系物理气相沉积过程中设备抽气速率下降,造成炉内真空度下降,从而导致陶瓷层柱状晶组织与正常组织存在明显差异,且...     

航空发动机用高温防护涂层研究进展

航空发动机热端部件服役环境恶劣,往往遭受机械载荷、高温、腐蚀、冲蚀等多种耦合作用。目前先进航空发动机热端部件无一例外地采用高温防护涂层以提高高温部件的使用温度,延长部件服役寿命,提高发动机效率。针对热端部件具体的服役环境特点,合理的设计和选择高温防护涂层体系对于提高发动机性能具有重要意义。文中对国内外近年来航空发动机热端部件的高温防护涂层设计、材料、制备工艺等方面进行了综述,展望了航空发动机用高温防护涂层的研究和应用发展趋势。     

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.     

热障涂层的研究现状与发展趋势

热障涂层是一类高温防护涂层,由于其应用的广泛性,已成为近年来涂层研究领域的热点之一。对热障涂层国内外的研究进展进行了综述,重点阐述热障涂层成分的选择、热障涂层的结构设计、热障涂层的制备工艺、热障涂层的失效机理、寿命预测以及热障涂层的发展趋势。     

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存在的问题及其发展方向

热障涂层主要作用在发动机的热端部件,可以减少油耗,提高效率,延长热端部件使用寿命。热障涂层技术的高速发展使得航空发动机的性能得到了极大的提高,但是它在使用过程中存在着失效问题。主要对陶瓷面层存在的高温烧结、热生长氧化物生长应力、高温热腐蚀和界面应力失配四种问题进行了论述,并针对具体问题提出了解决方案。同时,对新型的低热导率热障涂层和应用在CMC基体上的热障涂层的研发情况进行了综述和展望。     

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。     

防CMAS腐蚀热障涂层开裂的研究现状

针对热障涂层在服役过程中受CMAS(Ca O-Mg O-Al2O3-Si O2)腐蚀而造成的表层剥落及层间易开裂问题,探讨总结了CMAS对于热障涂层的腐蚀机理,指出目前所用方法存在的不足,因此急需研究抗CMAS腐蚀的新材料系统和相关工艺。开裂失效是热障涂层主要的失效形式,通过降低氧化层的氧化速度和增加陶瓷层的韧性,能有效延长涂层的使用寿命。基于对涂层结构复杂性的分析,可知涂层需从宏观、细观、微观三个角度进行表述,因此合理运用跨尺度理论对于分析涂层结构等问题有着较为重要的意义。为此提出开发防CMAS渗入的细观增韧的热障涂层,并进一步从跨尺度角度进行开裂分析。研究结果对于丰富涂层增韧途径、增强抗腐蚀性能,保障热障涂层乃至航空发动机的安全平稳运行具有重要的理论意义和工程应用价值。     

新型热障涂层用陶瓷材料及涂层性能计算机数值模拟研究进展

随着先进涡轮发动机性能的进一步提升,寻求低热导率、高热膨胀系数的新型陶瓷材料已经成为热障涂层领域的研究热点。计算机数值模拟在新型陶瓷及其涂层性能研究方面发挥了重要作用。综述了新型热障涂层陶瓷材料相结构、热物理性能、力学性能和对应涂层隔热性能、涂层有效热导率及涂层热应力等几个方面国内外计算机数值模拟研究成果,并指出了以上几个方面计算机数值计算研究存的不足。未来材料物理性能计算应当多研究元素掺杂及新材料相结构随温度和压力的变化关系,开发新的数学模型提高热导率、热膨胀系数及各种力学性能参数的计算精度。涂层的隔热性能和有效热导率方面应当进一步系统化,将各种涂层结构、涂层显微组织、材料组成及导热方式的影响考虑在内,开发新的计算方法并提高计算精度;涂层的冲击和残余热应力计算中未引入基体条件(材质、尺寸、粗糙度、温度)、涂层结构、界面形貌、涂层缺陷、单层厚度、服役环境等方面的影响,并应注重与实验结果进行对比。     

热障陶瓷涂层材料对柴油机活塞的影响

目的研究不同陶瓷材料对活塞温度和热应力的影响。方法以氧化镁-部分稳定氧化锆陶瓷(Mg-PSZ)和氧化钇-部分稳定氧化锆陶瓷(Y-PSZ)两种材料为研究对象,在硅铝合金活塞顶部分别喷涂Mg-PSZ和Y-PSZ等离子体,分析讨论了两种不同涂层材料对活塞温度场和热应力场的影响,对比分析了有无陶瓷涂层活塞温度场和热应力场的变化。结果和无涂层活塞相比,Mg-PSZ涂层活塞和Y-PSZ涂层活塞的表面温度明显升高,其表面最高温度分别升高了50.49%和34.81%,但是对应的基体最高温度却分别下降了28.49%和17.34%。同时还发现,Mg-PSZ涂层活塞和Y-PSZ涂层活塞具有相同的温度和热应力分布,并且其活塞基体和无涂层活塞也具有相同的温度和热应力分布。结论 Mg-PSZ涂层活塞和Y-PSZ涂层活塞都会导致活塞表面温度升高,应力增大,但是Y-PSZ对基体温度影响更大,Mg-PSZ对热应力影响更大。     

粘结层和陶瓷层厚度对纳米结构热障涂层性能的影响

采用超音速火焰喷涂+大气等离子喷涂工艺,在K403高温合金表面制备不同层厚比的NiCrA-lY/纳米7YSZ热障涂层,研究了涂层厚度变化对热障涂层表面粗糙度、结合强度、热震性能和热循环寿命的影响规律。结果表明:当粘结层厚度一定时,随着陶瓷层厚度的增加,其表面粗糙度增加,涂层结合强度下降;当粘结层厚度为50μm时,热障涂层的抗热震性能随陶瓷层厚度增加而降低,粘结层厚度提高至100μm时,热障涂层的抗热震性能随陶瓷层厚度增加先提高,后降低,热障涂层在1100℃的热循环寿命测试结果也基本对应这一规律;当粘结层厚50μm且陶瓷层/粘结层的层厚比在(1～2)∶1的范围内,或者粘结层厚100μm且陶瓷层/粘结层的层厚比在(2～2.5)∶1范围内时,热障涂层具有较优异的性能。     

热障涂层演变、失效理论及模型建立研究进展

目的 热障涂层(Thermal Barrier Coatings, TBCs)是用于保护热端部件的功能性涂层,但在复杂工况的影响下易于呈现提前破坏和过早失效的特点。以应用最广泛的钇稳定氧化锆(YSZ)双层热障涂层系统为例,阐述其服役过程中的结构和性能演变,分析失效机理,总结寿命预测模型并介绍相关模拟技术。方法 分别对经历不同条件高温氧化实验后的热障涂层开展元素渗透引起的界面微观结构变化、随反应进行发生的界面宏观结构变化以及高温引起的涂层本征性能变化分析,并且基于多种热力学实验结论和断裂力学、损伤力学等理论,结合有限元模拟手段,研究涂层内部结构变化过程,选用不同种类的标准有限元模型,建立条件选择方法以及典型的动态模拟扩展技术,观察裂纹导致涂层断裂等过程。结果 总结了目前常用的唯象寿命模型、断裂力学模型和损伤力学模型等失效寿命理论模型,提出相关失效评价方法。结论 随着航空发动机效率的不断提高,热障涂层必须面对更高的进气温度和更严峻、更复杂的工况,需要进一步丰富失效理论、完善失效寿命模型、仿真手段和相应数据库,同时其在开发新材料、新结构、新工艺、涂层组织纳米化等方面也有很大的研究和发展空间。     

热障涂层隔热性能测试方法分析

分别利用4种不同的隔热性能测试方法,对氧乙炔火焰喷涂工艺制备的ZrO2陶瓷热障涂层的隔热性能进行了测试,通过红外测温仪和热电偶连接温度记录仪两种不同方式,测试试样金属基体温度,获得4组不同涂层厚度试样金属基体的温度变化曲线,并结合陶瓷涂层的服役工况对测试结果进行了分析,结果表明,测试方法不同,隔热性能测试所得数据也有所差异,但这4种测试方法均可不同程度的反映热障涂层的隔热效果及变化趋势,在接近实际服役工况条件下,可定性评估涂层隔热性能。     

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。