高性能纳米氧化锆热障涂层性能研究

采用HVOF 技术喷涂金属粘结层NiCrAlY 作为底层,采用APS 技术喷涂纳米氧化锆陶瓷层作为面层,制备高性能热障涂层。设计正交试验优化HVOF 和APS 工艺,分析了优化工艺制得的热障涂层的微观形貌及性能。分析表明,NiCrAlY 涂层孔隙率小于2%,纳米氧化锆涂层孔隙率为15%。通过胶膜法测得纳米氧化锆热障涂层喷涂态的结合强度为30.4 MPa,且涂层经1100 益水淬50 次后表面无宏观裂纹,热生长氧化层为致密的Al2O3。     

K417G高温合金纳米氧化锆热障涂层的制备与性能

通过探讨喷涂工艺参数对纳米氧化锆涂层结构和性能影响的规律，使纳米氧化锆未熔颗粒基本上保持原始氧化锆粉末的纳米级晶粒大小，熔化的颗粒则起粘结剂的作用，使涂层内氧化锆颗粒问结合牢固，涂层结构致密。纳米氧化锆热障涂层与常规氧化锆涂层相比导热系数降低，隔热效果得到明显提高。力学试验结果则表明，纳米结构热障涂层在硬度、抗热冲击性能、耐冲击性以及结合强度等方面都明显高于常规粉末制备的涂层。     

微弧等离子喷涂制备莫来石/金属复合热障涂层

运用微弧等离子喷涂制备了莫来石/金属复合热障涂层.研究了涂层的微观结构、结合强度、隔热性能和抗热震性能.复合涂层结构为莫来石颗粒被"包裹"在金属层片状结构中;涂层的结合强度大于30 MPa.随着涂层中莫来石含量的增加,涂层的隔热性能有所提高,随涂层表面温度的升高,涂层的隔热温度也不断提高,涂层的最高隔热温度为125℃.1 150℃的水淬热震试验表明,基体变形是导致涂层失效的重要原因之一,随着涂层中莫来石含量的增加,涂层的抗热震次数先增加后减小,粉末中莫来石含量为40%的涂层的抗热震性能最好,抗热震次数最多为72次.     

纳米SiCw晶须/ZrO2复合热障涂层的制备与性能

运用微弧等离子喷涂制备了碳化硅晶须(SiCw)掺杂部分稳定ZrO2(YPSZ)复合热障涂层(CTBCs),对涂层进行了显微组织观察、EDS分析、XRD分析和抗热震性能试验.喷涂过程中,复合粉末里的部分SiCw在高温下分解产生的气体夹杂在熔融的颗粒内形成气孔,另一部分沉积在涂层中起到降低热应力和钉扎、桥联作用.结果表明,随着粉末中SiCw含量的增加,复合陶瓷层的孔隙率呈增大趋势;复合涂层的抗热震性能优于单纯氧化锆涂层,SiCw含量为20%的复合涂层的抗热震性能最优.     

三种热障涂层的组织性能

采用等离子喷涂技术制备了三种不同材料的热障涂层(TBC),对涂层进行了组织性能的分析比较.结果表明,Al-1075的TBC结合强度最高,为 24.66 MPa,具有良好的抗热震性能;KF-230的TBC结合强度最低,为 16.06 MPa;LG-210的TBC结合强度居中,抗热震性能最差.分析认为,氧化物层(TGO)在热障涂层中的失效起至关重要的作用,TGO是裂纹的产生源,是裂纹扩展的通道,是热障涂层系统中的最薄弱环节.因此抑制TGO是提高涂层结合强度、改善涂层抗热震性能的重要措施.     

热障涂层孔隙率的控制研究

以Ni基合金涂层打底、ZrO_2-Y_2O_3涂层作工作层,采用等离子喷涂技术在1Cr18Ni9Ti不锈钢板上制备了热障涂层。研究了喷涂用粉末的制作方法及其粒度分布和喷涂工艺参数对涂层孔隙率的影响。研究表明,只要将涂层的孔隙率控制在一合适的范围内,热障涂层将具有良好的综合性能,如隔热性能、硬度、粘附强度、抗冲击性能和抗热震性能等。     

等离子喷涂热障涂层相结构的研究

研究了等离子喷涂两层热障涂层在大气和真空环境下，经1100℃不同时间扩散处理后相结构的变化。结果表明，喷涂过程中，ZrO2发生M相→T相转变；经大气环境扩散处理后，ZrO2发生T相→M相转变，NiCrAlY相被氧化形成Al2O2和NiAl2O4相，同时r'-Ni3Al相有强烈的择优取向。     

等离子喷涂纳米热障涂层热震性能

采用等离子喷涂工艺制备常规和纳米结构ZrO2-7%Y2O3热障涂层,比较两种涂层在850℃下的热震性能,并探讨其热震失效机理。结果表明,不管是首次出现宏观裂纹(局部剥落)还是达到热震失效,纳米结构热障涂层的热震次数都明显高于相应的常规涂层。相对于常规涂层,纳米结构涂层有较好的抗热震性能。等离子喷涂常规热障涂层的热震失效形式为大面积整体剥落,而纳米结构热障涂层热震失效形式为边角局部剥落。     

Mo基体上锆酸镧热障涂层的研究

利用自行研制的La1.4Nd0.6Zr2O7(LNZ)喷涂粉末,采用大气等离子喷涂在Mo基体上制备LNZ热障涂层.测试粉末的各项热物理性能,考核涂层的抗热震性能和高温隔热性能,并与常规氧化钇稳定氧化锆(YSZ)涂层进行比较.结果表明,与YSZ相比,LNZ由于具有热膨胀系数小、导热系数低、烧结速率低等特点而更适合在Mo基体作为热障涂层使用.     

等离子喷涂热障涂层的隔热性分析

采用大气等离子喷涂方法制备不同类型的氧化钇部分稳定氧化锆热障涂层：传统涂层、纳米团聚粉末制备的纳米涂层和空心球粉末制备的空心球涂层。通过扫描电镜、透射电镜、压汞仪和激光脉冲法观察和测试各种涂层的组织形貌、空隙分布和导热系数,并在相同条件下测试各种涂层的隔热性能。结果表明：纳米涂层空隙率最低,内部孔洞细小。空心球涂层组织相对疏松,内部层片更薄,有最高的空隙率和最大的平均空隙大小。传统涂层介于二者之间。纳米涂层和传统涂层均表现出双态空隙大小分布。涂层的导热系数均随着温度的上升而升高。传统涂层的热导率最高,纳米涂层与空心球涂层的热导率相接近。纳米涂层具有最好的隔热性能,空心球涂层接近纳米涂层的隔热效果。隔热效果与涂层厚度呈线性关系。随着厚度增加,导热系数低的纳米涂层和空心球涂层的隔热效果增长幅度高于传统涂层。     

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。     

超声频率对等离子喷涂热障涂层结合强度的影响

在等离子喷涂过程中实时引入超声激励，进行ZrO2热障涂层制备。喷涂过程中保证超声激励能量不变。改变超声频率，并与不加超声进行对比，研究电弧超声频率对涂层结合强度的影响。结果表明，适当的超声频率对于涂层结合强度的提高和稳定起到了促进作用。     

铝表面锆酸钙热障涂层组织结构研究

利用热喷涂方法在铝板表面制作了锆酸热障涂层,结合X射线衍射结构分析和金相组织分析,探讨了不同工艺方法对涂层质量的影响。研究表明,在等离子喷涂中锆酸钙部分分解成氧化锆和氧化钙,在火焰喷涂中锆酸钙几乎不分解;两种喷涂过程中锆酸钙均能保持氧化锆高温正方相结构,抑制了氧化锆高温可逆相变,消除了因氧化锆相变造成的涂层内应力,从而改善涂层与基体的结合状况;等离子喷涂雾化充分,喷涂质量明显优于火焰喷涂。     

Application of Plasma-Sprayed Complex Perovskites as Thermal Barrier Coatings

In an effort to improve the performance of heat engines at high temperatures, advanced surface coatings have been developed from complex perovskites. Materials of Ba(Mg_1/3Ta_2/3)O₃ and La(Al_1/4Mg_1/2Ta_1/4)O₃ composition were synthesized and applied as ceramic topcoats of thermal barrier coating (TBC) systems by atmospheric plasma spraying (APS) in single layer and in double-layer combination with conventional yttria stabilized zirconia (YSZ). Microstructural and phase analyses reveal that plasma spraying of complex perovskites is accompanied with the formation of vertical crack networks and secondary oxide phases which influence the failure mechanism of the TBCs. The low value of fracture toughness for the complex perovskites and the thermally grown oxide at the topcoat-bondcoat interface of the TBCs are, however, the major factors which lead to the coating failure on thermal cycling at about 1250 °C.     

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。     

Al2 O3与ZrO2复合粉涂层的组织形貌分析

利用大气等离子喷涂技术（ASP）在20号锅炉钢（20G）基体上制备Al2O3和ZrO2复合粉热障涂层（TBC）。通过X射线衍射分析（XRD）、扫描电镜（SEM）等观察分析了复合粉涂层表面形貌，分析了表面微裂纹和孔隙的形成过程。结果表明，涂层表面主要由α-Al2O3和t-ZrO2高温稳定相组成。复合粉涂层面层组织致密，Al2O3和ZrO2颗粒互熔在一起，从而提高了涂层的结合强度和致密度。     

喷涂距离对热障涂层拉伸强度的影响

用等离子喷涂方法，在不同的喷涂距离（d）下制备出ZrO2陶瓷涂层，通过涂层的拉伸实验、X射线衍射和扫描电镜分析，研究了喷涂距离对涂层拉伸强度（σ）的影响规律。结果表明：d=70、80mm时，σ较高，最高可达9．14MPa；d〈70mm时，粘接层的氧化明显加剧，热生长氧化物的量明显增加，降低了ZrO2涂层与粘接层之间的结合强度，导致σ下降；d〉80mm时，随着喷涂粒子的速度降低，撞击到喷涂表面后不能完全铺展，导致σ下降。