金属搪瓷高温防护涂层的制备及其抗热震行为研究

以低软化点的硼硅酸盐搪瓷作为粘结相,制备了金属搪瓷高温防护涂层,并研究了涂层的抗热震剥落行为。结果表明,硼硅酸盐搪瓷中含有SiO2的比例越高,搪瓷软化点越高。在硼硅比为0.6 (质量分数)时,该搪瓷软化温度高于750℃。热震结果显示,含20%镍颗粒的金属搪瓷复合涂层抗热震性能优异,热震30次后涂层表面完好;而无金属颗粒添加或者金属含量过高(40%)时,热震条件下搪瓷涂层易开裂剥落。     

多弧离子镀NiCrAlY涂层与搪瓷基复合涂层的抗热震行为对比研究

以K444镍基高温合金为基体,采用多弧离子镀法制备了NiCrAlY涂层、喷涂-烧结法制备了搪瓷基复合涂层,并对比研究了2种涂层的抗热震性能。热震实验高温段温度为900℃。高温段保温1.5h后经水或空气冷却为一个热震循环。结果表明,NiCrAlY涂层的抗热震性能较差。当冷却介质为水时,水淬热震30cyc后,涂层表面氧化膜开裂明显,且有个别裂纹已穿透氧化膜,扩展至涂层内部;而搪瓷基复合涂层的抗热震性能非常优异。热震后,涂层表面及内部均未发现裂纹,涂层和基体界面结合良好。经分析,其优良的抗热震性能源于:(1)搪瓷釉热膨胀系数与高温合金基体匹配度高;(2)纳米Ni和NiCrAlY金属颗粒的加入进一步增大涂层热膨胀系数的同时,还提高了搪瓷的韧塑性。     

等离子喷涂ZrO2-NiCoCrAlY梯度热障涂层的抗热震性及失效机理

研究了ZrO2-NiCoCrAlY热障涂层的抗热震性和热震失效机理.实验结果表明,梯度热障涂层能明显延缓热震裂纹的形成和扩展,具有较高的抗热震性.热震裂纹形成与扩展主要在粘结层与基体的界面处.随热循环次数的增加,热震裂纹可在表面陶瓷层内和陶瓷层与过渡层的界面处形成.实验表明热障涂层热震失效的过程主要是裂纹形成、扩展及涂层剥落,粘结层的氧化是导致涂层剥落失效的重要原因.     

等离子喷涂ZrO2—NiCoCrAlY梯度热障涂层的抗热震性及失效机理

研究了ZrO2-NiCoCrAlY热障涂层的抗热震性和热震失效机理。实验结果表明,梯度热隙涂层能明显延缓热震裂纹的形成和扩展,具有较高的抗热震性。热震裂纹形成与扩展主要在粘结层与基体的界面处。随热循环次数的增加,热震裂纹可在表面陶瓷层内和陶瓷层与过渡层的界面处形成。实验表明热障涂层热震失效的过程主要是裂纹形成、扩展及涂层剥落,粘结层的氧化是导致涂层剥落失效的重要原因。     

热化学反应法制备Al2O3-13％TiO2陶瓷涂层及其性能研究

目的研究Al_2O_3-13%TiO_2陶瓷涂层对金属基体的热防护性能。方法以钠、钾混合硅酸盐溶液为粘结剂,添加Al_2O_3、TiO_2、MgO、SiO_2等陶瓷骨料,采用热化学反应法在304不锈钢基体表面制备了Al_2O_3-13%TiO_2陶瓷涂层(记为AT13)。使用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)对涂层的微观形貌、物相变化进行表征。在AT13涂层的基础上,预先喷涂金属Ni/Al过渡层,制备了AT13梯度涂层(记为AT13grade),综合比较分析了两种涂层在不同温度下固化后的结合强度,描述了涂层的高温氧化动力学曲线,对涂层的热震性能及失效机理进行了分析。结果涂层在800℃烧结固化后,致密性较好,涂层与金属基体之间呈现冶金结合,TiO_2发生了从锐钛相到金红石相的转变,α-Al_2O_3和金红石型TiO_2是陶瓷涂层耐高温的主体晶相结构。经1200℃高温氧化后,梯度涂层和非梯度涂层的增重与空白试样相比分别减少了0.223 mg/cm2和0.155 mg/cm2。800℃热震试验时,梯度涂层和非梯度涂层的热震循环次数分别为17次和6次。结论在涂层与基体之间制备金属Ni/Al过渡层能增强涂层的结合强度,提高其抗氧化性能,缓解陶瓷材料与金属基体之间的热膨胀系数差异,提高涂层的抗热震性能。梯度结构的陶瓷涂层具有更好的热防护性能。     

高韧性过渡层对大气等离子喷涂热障涂层性能的影响EI北大核心CSCD

高温服役环境下,大气等离子喷涂(APS)制备的纳米结构热障涂层受热应力作用,黏结层/陶瓷层界面附近的陶瓷层内部易形成横向裂纹而导致热障涂层失效。利用常规大气等离子喷涂和超音速等离子喷涂(SAPS)制备8YSZ高韧性过渡层。结果表明,采用APS和SAPS制备的高韧性过渡层提高了扁平化粒子间结合状态和涂层致密度,相比常规结构8YSZ涂层的断裂韧性分别提高约46%和84%,高韧性过渡层均提高了复合结构热障涂层结合强度、抗热震性能和燃气热冲击寿命,SAPS制备的高韧性过渡层厚度为30~50μm时复合结构热障涂层抗热震性能最优,当高韧性过渡层厚度为10~30μm时,相比常规结构热障涂层燃气热冲击寿命提高120%。在温度梯度作用下,热障涂层最终失效由陶瓷层逐层剥落转变为靠近陶瓷层/黏结层界面处剥落。通过高韧性过渡层设计,兼顾热障涂层的隔热性能的同时,提高了热障涂层的结合强度和寿命。     

等离子喷涂热障涂层高温风洞热震行为

采用等离子喷涂工艺制备ZrO2-8%Y2O3(质量分数,下同)陶瓷层,冷喷涂制备CoNiCrAlY粘结层,在高温燃气风洞条件下测试热障涂层的热震性能,并研究了高温氧化处理对试样热震性能的影响.结果表明,等离子喷涂热障涂层具有较好的抗热震性能,经过100次热震循环后,涂层与基体结合良好,涂层较为完整,未出现大面积的剥落;经过氧化处理后的试样抗热震性较差.     

合金钢热障涂层等离子喷涂及高温力学特性研究

目的研究等离子喷涂热障涂层微观组织与高温力学性能,为热障涂层在合金钢的应用及其失效机制提供理论支撑。方法采用等离子喷涂技术在30Cr Mn Si A钢基体上制备Ni Co Cr Al Y/YSZ热障涂层,利用扫描电镜显微观察、物相分析、热震试验、拉伸试验等技术方法,考察涂层在高温条件下的失效行为。结果合金钢等离子喷涂热障涂层为典型双层层片状结构,YSZ涂层仅含有稳定四方相。800℃时,涂层试样拉伸试验后的断裂载荷与无涂层试样相比高10%。热障涂层的抗热震性良好,经900℃热震循环试验10次后,涂层完好;经1000℃热震循环6次后,涂层剥落失效,剥落面位于粘结层与基体之间。热震循环过程中,钢基体被氧化甚至腐蚀。涂层试样边缘产生应力集中,随着热震次数的增加,裂纹逐渐扩展,最终导致涂层成块剥落。温度由700℃升至900℃,Ni Co Cr Al Y涂层硬度下降幅度大于YSZ涂层和30Cr Mn Si基体。结论粘结层与钢合金基体的热膨胀不匹配是导致热震试验涂层剥落的主要原因。热障涂层的隔热作用使涂层试样的基体温度较低,导致其断裂载荷与无涂层试样相比较高。     

搪瓷涂层700 ℃长期抗高温氧化和热腐蚀行为研究

研究了在钛铝金属间化合物上涂覆的一种20~40 μm厚的新型搪瓷涂层在700 ℃条件下1000 h高温氧化和硫酸盐+NaCl热腐蚀600 h的高温腐蚀行为。结果表明,搪瓷涂层具有很高的高温稳定性,在长时间的实验中有效地避免了基体的高温腐蚀,涂层未出现开裂或剥落。在涂层制备过程和高温腐蚀测试过程中,在涂层/基体界面发生了界面反应,形成了由α-Al₂O₃、TiO₂、Al₂SiO₅和Al₂TiO₅组成的薄氧化物层。     

热暴露对陶瓷隔热瓦表面硼硅玻璃涂层组织的影响

目的研究大面积可重复使用刚性陶瓷瓦表面高辐射率硼硅玻璃涂层在服役温度条件下微观组织的演变情况。方法采用在1250℃和1300℃下热暴露的方法来模拟涂层服役温度环境,借此研究涂层微观组织高温下的演变规律。采用扫描电子显微镜(SEM)对热暴露前后涂层的微观形貌进行了表征,利用X射线衍射仪(XRD)表征了涂层热暴露前后的物相组成。结果 1250℃和1300℃热暴露之后,涂层表面出现微孔,尤其在辐射剂颗粒(MoSi2、Si B4)聚集区域,且微孔数量随热暴露次数的增加而增多。1300℃下热暴露5次后,中间过渡层发生烧结分层现象,靠近表面一侧逐渐变致密并与表面层烧结在一起,而另一侧则逐渐和基体烧结在一起。涂层热暴露后有方石英相析出,且析晶量与热暴露次数呈正相关关系。结论 1300℃下热暴露后,中间过渡层逐渐破坏,涂层由双层结构转变为单层结构,其抗热震性能下降,易产生裂纹、脱落等问题。高温热暴露析出方石英晶体将会影响涂层尺寸的稳定性。此外,高温热暴露导致涂层中辐射剂成分氧化,生成微孔,破坏涂层致密性,降低其抗冲刷能力,更易引起涂层脱落。     

Protection Mechanism Study of Enamel-Based Composite Coatings Under the Simulated Combusting Gas ShockEI北大核心CSCD

High-temperature-resistant enamel coatings have been reported to be applied in non-critical hot end components of aero-engine and gas turbine recently. Although the enamel with a series of excellent properties can be as high-temperature-resistant coating material under appropriate condition, its lower soft point and inherent brittleness limit their use in broader application under severe service condition. Enamel-based composite coatings (an enamel matrix with the addition of ceramic particles and/or metal platelets) can remarkably increase the properties of the enamel coating and their protection mechanism under dynamic thermal shock needs further investigation. In this work, two kinds of enamel-based composite coatings, 70%enamel+25%Al2O3 and 70%enamel + 20%Al2O3 + 10%NiCrAlY (mass fraction, %) abbreviated to E25A and E20A10M respectively, were designed and fired on K38G superalloy substrate, and their protection mechanism was comparatively studied at 900. under the simulated combusting gas shock. The thermal shock fire was produced by the mixture gas of C3H8+O-2 and its ejecting pressure on the coating surface was 0.4 MPa. After the temperature has been stable at 900 degrees C, samples were hold for 15 s and then cooling down in air for 120 s, constituting a thermal shock cycle. Results indicated that, after 150 cyc of thermal shock, both the coatings bond well with the alloy substrate, thus shows high resistance to spallation along interface. For the E25A coating, its microstructure had no obvious change after thermal shock and the surface is still intact. The addition of secondary phase Al2O3 increases the stability of enamel at high temperature. With regard to the E20A10M coating, holes and cracks form consecutively, and peeling off occurs at surface after thermal shock. Interfacial reaction between the NiCrAlY particles and enamel following Cr-(NiCrAlY) + ZnO(enamel)-> CrO(interface) + Zn up arrow results in the formation of enamel swelling, which then, under the synergistic effect of combusting gas shear stress and interface thermal stress, leads to the peeling off of enamel and metal inclusions at surface.     

节能型搪瓷涂层烧成工艺及其性能研究

介绍了一种低温搪瓷釉的助熔剂,有效将搪瓷的烧成温度降至800℃以下,研究了烧成温度和保温时间对搪瓷层耐酸性能、抗机械冲击性能以及耐温急变性能的影响。结果表明:所制备搪瓷层的耐酸性能、抗冲击性能以及耐温急变性能都达到了国家优等品的标准,随着烧结温度的提高和保温时间的延长,搪瓷层的耐酸性能和抗机械冲击性能均提高。最后,运用有限元分析软件ANSYS分析了搪瓷层的传热性能,以及热应力对搪瓷层稳定性的影响。     

Microstructure and Improved Thermal Shock Behaviour of an In Situ Formed Metal-Enamel Interlocking Coating

A novel metal-enamel interlocking coating was designed and prepared in situ by co-deposition of Ni-enamel composite layer and subsequent air spray of enamel with 10 wt% nanoscale Ni. During the firing process, the external enamel layer was melted and jointed with the enamel particles at the upper part of the Ni-plating layer to form the enamel pegs. Thermal shock tests of pure enamel, enamel with 10 wt% Ni composite and metal-enamel interlocking coatings were conducted at 600 °C in water and static air. The results indicated that the metal-enamel interlocking showed superior thermal shock resistance to both pure enamel and enamel with 10 wt% Ni composite coatings. The enhanced performance was mainly attributed to the advantageous effects of mechanical interlocking of the enamel pegs formed at the enamel/Ni-plating interface. Meanwhile, during thermal shock test, big clusters formed by nanoscale Ni agglomerations were oxidised to be a Ni/NiO core–shell structure while small single nanoscale Ni grains were oxidised completely, which both improved the thermal shock resistance of enamel coating significantly.     

NiAl/NiCoCrAlY/8YSZ复合喷涂层的微观结构与性能研究

目的提高金属/陶瓷隔热涂层体系在海洋环境下的耐腐蚀性能。方法利用冷喷涂方法制备NiAl复合打底层和Ni CoCrAlY粘结层,与等离子喷涂制备的8YSZ陶瓷层构成适用于海洋环境的多层结构耐蚀隔热涂层体系。利用FE-SEM分别观察喷涂态粘结层和陶瓷层的表面、横截面形貌,通过EDS分析涂层元素分布;利用XRD分析表征涂层的物相组成;借助万能材料试验机,采用拉伸法测试涂层结合强度;利用热循环试验和焰流冲刷试验测试涂层的耐高温性能。结果微观分析表明,冷喷涂制备的NiAl复合打底层和Ni CoCrAlY粘结层形貌致密,涂层材料未发生明显氧化,颗粒变形程度不一,粘结层与基体间的结合强度约为18.4 MPa,粘结层与8YSZ陶瓷层界面结合紧密。陶瓷层物相结构和成分稳定,涂层经12次热震循环和1000个周期的高温焰流冲击后,表面未出现开裂、起皮和脱落。结论采用冷喷涂法和等离子喷涂法联合制备的耐蚀隔热复合涂层体系具备良好的耐热性和耐腐蚀性。冷喷涂制备的金属涂层结构致密,孔隙率低,与陶瓷层结合良好,能够有效提高涂层体系在腐蚀性环境中的耐蚀性能。NiAl复合涂层可以缓解Ni CoCrAlY粘结层和铝合金基材间的热匹配问题,增强涂层的结合性能。     

Thermal shock and thermal fatigue resistance of Sialon–Si3N4 graded composite ceramic materials

Sialon–Si₃N₄ graded composite ceramic materials were fabricated by hot press sintering. The mechanical properties and microstructure of the composites were examined. The thermal shock and thermal fatigue resistance of the Sialon–Si₃N₄ graded composite ceramic materials were investigated by means of the water quenching method. The microstructure of the composites was characterized with transmission electron microscopy (TEM) and scanning electron microscopy (SEM). The results showed that the graded ceramic exhibited higher retained flexural strength under all thermal shock temperature differences compared to the homogeneous reference one, indicating the higher thermal shock resistance of the graded ceramic. The highest critical temperature difference of the graded composites was 600 °C. The crack growth (∆c) of graded ceramic materials was much lower than that of homogeneous ceramic materials, which revealed the higher thermal fatigue resistance of the graded ceramics. The improvement of the thermal shock and thermal fatigue resistance was attributed to the formation of compressive residual stress in the surface layer and the enhanced mechanical properties induced by the graded compositional structure.     

等离子喷涂La2(Zr0.7Ce0.3)2O7热障涂层的抗热震性能

采用等离子喷涂制备了La₂(Zr_0.7Ce_0.3)₂O₇（LZ7C3）热障涂层,并对涂层的微观组织、相结构、成分、相稳定性、涂层热导率以及抗热震性能进行了研究.结果表明,LZ7C3涂层由单相烧绿石结构物质组成,高温稳定性较好;涂层的热导率较块材下降约20%,这是由于涂层具有较高的孔隙率所致:涂层在不同温度范围的热震寿命和失效机制不同,在室温至约1000℃间的热震寿命为116 cyc,涂层失效方式以片状剥落为主:在室温至1100℃间的热震寿命为53 cyc,涂层失效方式为片状剥落和层状撕裂;在室温至1200℃间的热震寿命为3 cyc,涂层失效方式以层状撕裂为主.     

电沉积制备镍基复合镀层的研究进展

金属-陶瓷复合镀层可以显著改善的硬度、致密性、耐蚀性、耐磨性以及抗高温氧化性能等可显著得到改善,应用范围广泛。综述了影响复合镀层性能的几大因素,重点介绍了增强相粒子粒径、表面活性剂类型、制备镀层的沉积方式以及第二相颗粒种类对电沉积复合镀层性能的影响。陶瓷颗粒尺寸影响复合镀层的性能,细小颗粒对镍基复合镀层具有细晶强化作用,微米级陶瓷颗粒能够大大改善Ni基复合镀层的力学性能。超细纳米陶瓷颗粒作为增强相,可以显著提高复合镀层的耐蚀性,添加纳米颗粒的复合镀层的显微硬度优于添加微米颗粒复合镀层。非离子表面活性剂能提高第二相颗粒在镀层中的复合量及在镀液中的分散性,有利于获得高硬度的复合镀层,进而提高整个镀层的耐磨性和耐蚀性。超声波-脉冲电沉积法得到的复合镀层形貌更平整,晶粒更细小,结构更致密,且得到的复合镀层硬度更高,耐磨性、耐蚀性更好。与SiC复合镀层相比,SiO_2复合镀层具有更好的耐蚀性和抗氧化性。最后,分析展望了颗粒增强镍基复合材料的应用前景及未来研究的重点。     

基于热喷涂界面微纳结构设计的涂层力学性能研究进展

热喷涂陶瓷涂层在航空航天、交通运输等众多领域具有广阔的应用前景,常见的热喷涂陶瓷涂层体系包括陶瓷层、金属/合金粘结层和金属基体.由于陶瓷层与粘结层具有较大的物化性能差异,使界面成为热喷涂陶瓷涂层易发生失效的区域,极大降低了涂层的服役寿命,遏制了热喷涂陶瓷涂层更为广泛的应用.以热喷涂界面的微观和宏观结构设计为出发点,综述了微观界面和扩散对界面力学性能的影响,总结了微米-纳米颗粒的界面结构、成分连续梯度变化的涂层结构和涂层缺陷对性能的影响.同时总结了三点弯曲、显微硬度和纳米压痕对界面力学性能的系统表征方法,并结合不同测试方法的特性,给出了对应的多尺度界面力学性能的计算公式.上述结果对设计和制备高性能复合涂层具有重要的理论意义,对延长涂层服役寿命具有实际的应用价值.     

热障涂层先进结构设计研究进展

随着航空航天技术的不断发展,不断提高的涡轮前进口温度及恶劣的使用环境对镍基高温合金的使用性能提出了更高的要求。热障涂层是一种应用于涡轮发动机热端部件的表面技术,通过沉积在镍基高温合金表面,降低合金表面的温度。概述了采用传统单层层状氧化钇部分稳定氧化锆热障涂层的优势,包括较低的制备成本、便捷的制备方式及较低的层间热膨胀失配应力。同时,归纳了单层层状热障涂层在高温环境下存在的问题,包括氧化锆相变与烧结造成的涂层失效,以及热膨胀系数和断裂韧性较差的新型陶瓷材料无法直接制备在黏结层表面。在此基础上重点综述了近年来热障涂层先进结构设计的研究进展,包括双层层状结构、柱状结构、垂直裂纹结构及复合结构热障涂层,其中复合结构包括激光表面改性结构、梯度涂层结构及粉末镶嵌结构热障涂层。针对各种先进结构热障涂层,分别从微观结构、热震寿命、涂层内部应力、耐腐蚀性能、抗氧化性能等方面进行了归纳,并总结了各先进结构热障涂层现阶段发展的不足之处。最后展望了热障涂层先进结构设计的发展方向。     

AlCrBN/AlCrSiN纳米晶多层复合涂层的制备及其性能

目的制备高硬度、高耐磨性、自润滑及高热稳定性的AlCrBN/AlCrSiN纳米晶多层复合涂层,探索涂层的微观结构、力学性能、耐磨性能及高温热稳定性能。方法采用多弧离子镀技术在WC-Co硬质合金以及不锈钢基底上,制备AlCrBN/AlCrSiN多层纳米晶复合涂层。采用扫描电子显微镜、X射线衍射、透射电子显微镜、纳米压痕仪等设备,对涂层在不同温度(600~1000℃)下退火前后的表面形貌、微观结构、力学性能、耐磨性能进行系统研究。结果AlCrSiN/AlCrBN涂层为典型的纳米晶复合多层结构,涂层主要由fcc-AlCrN纳米晶镶嵌在非晶的SiNx和BNx中并形成多层结构。涂层具有优异的热稳定性能,其结构能够保持到800℃不发生变化,当温度增加到900℃时,涂层发生调幅分解,形成c-AlN、hcp-AlN和Cr2N等复合结构,在1000℃退火后,涂层结构基本稳定,仍能检测到CrN相。涂层纳米硬度及平均摩擦因数分别为29.15 GPa和0.67。结论AlCrSiN/AlCrBN涂层具有优异的力学性能、耐磨性能及高温热稳定性能,在800℃以下保持稳定,在1000℃退火后仍能保持较高的硬度及良好的耐磨性能,在高速切削刀具中具有良好的应用前景。