等离子喷涂Mo/8YSZ功能梯度热障涂层结构优化与热力耦合模拟计算

目的研究不同结构参数对Mo/8YSZ热障涂层系统残余应力的影响因素。方法设计Mo/8YSZ功能梯度热障涂层,并利用ANSYS有限元软件建立了等离子喷涂Mo/8YSZ功能梯度热障涂层的数值模型,模型中考虑了材料热物理性能参数随温度变化,研究粘结层、过渡层及陶瓷层厚度对Mo/8YSZ功能梯度热障涂层残余应力的影响规律。结果随着径向距离的增大,粘结层与陶瓷层界面的残余应力逐渐由压应力变为拉应力,并且在涂层边缘位置,径向残余拉应力达到最大值。在0~12 mm路径范围内的同一位置,伴随着陶瓷层厚度的增加,粘结层与陶瓷层界面位置的轴向残余应力无明显变化,且轴向残余应力的数值几乎为0;在6~12.5 mm路径范围内的同一位置,伴随着陶瓷层厚度的增加,其剪切残余应力逐渐增大。在基体与粘结层界面边缘0.5 mm处存在着与其他位置相比更大的应力突变。粘结层与陶瓷层的厚度参数比控制在4∶10~4∶13时,涂层具有最低的热失配。过渡层与陶瓷层的厚度参数比控制在1∶4时,涂层具有最低的热失配。当功能梯度热障涂层的过渡层采用50%Mo与50%8YSZ复合而成时,将粘结层、过渡层及陶瓷层三者的厚度比值控制在16∶10∶40~16∶13∶52,涂层具有最低的热失配。结论通过设计功能梯度热障涂层,并合理调控热障涂层系统的结构参数,可进一步减小喷涂构件的残余应力和应力突变情况,提升基体与涂层的结合强度。     

改善ZrO2喷涂层性能的过渡层研究

本文从调整ＺｒＯ２陶瓷热障层和钢基体之间的膨胀系数匹配着手，选择４Ｊ５０铁镍合金作为中间过渡层材料。结果表明：采用该中间过渡层可显著降低涂层残余应力，明显地改善陶瓷热障层的组织、强度、韧性及热震性。由此说明了残余应力直接影响喷涂层的性能；通过调节热膨胀系数匹配来降低残余应力，从而提高喷涂导性能的方法是十分有效的。     

基体预热温度对热障涂层热残余应力影响的研究

研究了用等离子喷涂工艺制备ZrO2-NiCrAl-LD-8基体的热障涂层过程中,基体预热温度对热障涂层热残余应力的影响.通过有限元计算分析,表明选择合适的基体温度,能大大降低热障涂层的热残余应力,为喷涂制备过程中基体预热温度的选择提供了参考.     

基于不同基体材质的Sm2Zr2O7/YSZ热障复合涂层残余热应力的数值仿真

采用有限元分析软件ANSYS对1Cr13Ni9Ti、Ni、45钢和2Cr13基体等离子喷涂Sm2Zr2O7/YSZ热障双层涂层系统的残余热应力分布进行了数值仿真.结果表明:复合涂层系统表面层及界面存在较大的径向残余热应力,且径向、轴向及剪切应力梯度随金属基体的热膨胀系数增加而增大;涂层系统的轴向应力及剪切应力在径向距离距中心处约2/3的范围内基本不变,呈现出与基体材质的无关性.     

界面温度对等离子喷涂金属-陶瓷涂层附着性能的影响

金属-陶瓷涂层主要作为热障涂层(TBC)工艺广泛应用于工业化用途,等离子喷涂是制造TBC最常用的工艺。常规的热障涂层包括一层金属粘合底层和一层隔热陶瓷面层。分层涂层或者功能递变型涂层也已经用来解决等离子喷涂的常规TBC早期脱落的问题。等离子喷涂时的温度及其梯度,特别是刚与基体表面碰撞时的粉粒的温度对涂层质量具有重要的影响。当喷涂象金属与陶瓷那样的不同材料时,该因素的影响显著增强。在本研究中,是将金属-陶瓷涂层涂覆到金属基体上。用光学高温计测量界面温度,用热电偶测量基体温度。涂层的结合情况用标准的ASTM试验测定,并与测量的温度有关。结果表明,在一般情况下,具有较低附着值的涂层是那些具有较低界面温度的涂层。     

等离子喷涂热障涂层热震失效过程及残余应力分析

采用等离子喷涂技术在高温合金上制备了热障涂层(粘接层为NiCoCrAlY,陶瓷层为ZrO2-8%Y2O3),利用扫描电镜(SEM)、拉曼光谱(RFS)等试验手段研究了热障涂层热震失效的过程及残余应力大小和分布状态。结果表明:150次热循环后,陶瓷层和热生长氧化物(TGO)生成裂纹,其中陶瓷层的裂纹已扩展至TGO;350次热循环后,出现贯通陶瓷层与金属过渡层的纵向裂纹,涂层局部出现剥离,剥离位置位于TGO与陶瓷层界面;拉曼光谱(RFS)分析结果显示TGO内应力水平分布不均,局部厚大区和凸凹处残余应力较大,是裂纹萌生、扩展的主要部位。     

界面温度对等离子喷涂金属—陶瓷涂层附着性能的影响

金属－陶瓷涂层主要作为热障涂层（ＴＢＣ）工艺广泛应用于工业化用途,等离子喷涂是制造ＴＢＣ最常用的工艺。常规的热障涂层包括一层金属粘合底层和一层隔热陶瓷面层。分层涂层或者功能递变型涂层也已经用来解决等离子喷涂的常规ＴＢＣ早期脱落的问题。等离子喷涂时的温度及其梯度,特别是刚与基体表面碰撞时的粉粒的温度对涂层质量具有重要的影响。当喷涂象金属与陶瓷那样的不同材料时,该因素的影响显著增强。在本研究中,是将金属－陶瓷涂层涂覆到金属基体上。用光学高温计测量界面温度,用热电偶测量基体温度。涂层的结合情况用标准的ＡＳＴＭ试验测定,并与测量的温度有关。结果表明,在一般情况下,具有较低附着值的涂层是那些具有较低界面温度的涂层。     

高铬铸铁表面制备陶瓷涂层的研究

以Ti-B4C-蔗糖-Al和Ni-Al自粘结复合粉为喷涂体系,通过白蔓延反应火焰喷涂技术,采用梯度过渡涂层设计,在高铬铸铁泵叶表面制备了梯度过渡陶瓷涂层.主要研究了喷涂工艺、涂层性能以及喷涂前后基体组织及性能变化等问题.结果表明:利用自蔓延反应火喷涂技术在高铬铸铁表面制备梯度过渡陶瓷涂层是可行的:引入梯度过渡涂层设计后尽管使涂层的显微硬度有所下降,涂层孔隙率有一定增大,但可以明显改善陶瓷涂层与基体的结合,提高结合强度,同时不会造成基体材料和性能发生明显变化.     

纳米掺杂Al2O3基等离子喷涂涂层残余应力分析

利用逐层剥离X射线衍射法,测定了纳米粒子掺杂对Al2O3 13%TiO2(AT13)等离子喷涂涂层残余应力的影响.结果证明AT13等离子喷涂涂层残余应力分布为:陶瓷涂层部分为压应力;Al/Ni过渡层由陶瓷涂层到钢基体,由压应力过渡到拉应力;在距钢基体0.05mm处现拉应力峰值.随着纳米掺杂量的增大,陶瓷涂层及Ni/Al过渡层残余应力绝对值降低,这对改善陶瓷涂层性质是十分有益的.     

界面粗糙度对双层热障涂层残余应力影响的数值模拟

运用ANSYS有限元分析软件模拟了双层热障涂层（ZrO2/NiCrAIY）在制备过程中的温度场，在此基础上，进行热-应力耦合计算分析试样的残余应力，重点计算了不同基体表面粗糙度条件下的残余应力分布。结果表明：试样的温度分布呈不均匀变化，与实际喷涂过程相近；双层热障涂层的最大残余应力集中在粗糙界面的凸起与凹坑部分；涂层内的等效残余应力随表面粗糙度的增大整体呈增大趋势，在Rα=30μm附近时，等效残余应力较小，同时压应力较小。     

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。     

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.     

Plasma spraying of functionally graded yttria stabilized zirconia/NiCoCrAlY coating system using composite powders

Pre-alloyed and plasma spheroidized composite powders were used as the feedstock in the plasma spraying of functionally graded yttria stabilized zirconia (YSZ)/NiCoCrAlY coatings. The ball milling parameters of the composite powders and the plasma spraying parameters for preparing functionally graded materials (FMGs) coatings were optimized to obtain the best performance for the thermal barrier coatings (TBCs). Microstructure, physical, mechanical, and thermal properties of YSZ/NiCoCrAlY FGMs coatings were investigated and compared with those of traditional duplex coatings. Results showed that the advantages of using pre-alloyed composite powders in plasma spraying were to ensure chemical homogeneity and promote uniform density along the graded layers. Microstructure observation showed the gradient distribution of YSZ and NiCoCrAlY phases in the coating, and no clear interface was found between two adjacent different layers. Oxidation occurred during plasma spray and the resultant aluminum oxide combines with YSZ in a wide range of proportions. The bond strength of functionally graded coatings was about twice as high as that of the duplex coatings because of the significant reduction of the residual stresses in the coatings. The thermal cycling resistance of functionally graded coating was much better than that of duplex coating.     

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。     

高温自蔓延合成复合涂层的研究现状

高温自蔓延合成技术因其节约能源、生产效率高、投资少、产品纯度高等特点,已用于制备特种性能陶瓷,是一种潜在的制备高性能涂层的方法 .介绍了由传统高温自蔓延合成技术延伸发展起来的自蔓延铸造涂层技术、自蔓延气相传输涂层技术、自蔓延烧结涂层技术和自蔓延反应喷涂涂层技术,重点分析了各种自蔓延合成涂层技术的基本原理、工艺特点、涂层特点、应用情况、研究现状及存在的主要问题.针对自蔓延合成涂层技术存在的问题,如孔隙率高(一般达5%~20%)、结合强度差(低于50 MPa)、反应速度快、过程难以控制等,提出了高温自蔓延合成复合涂层技术的研究方向:优化反应体系组分设计,设法避免低气化点反应生成相的形成,减轻自蔓延合成反应过程中的飞溅;加入添加剂延长液态停留时间和增强液相流动性;选择反应生成相与相之间以及生成相与基体金属都具有良好润湿性的反应体系;优化涂层结构设计,设计复合结构和梯度结构的涂层体系,提高涂层与金属基体的结合质量.     

热喷涂纳米结构涂层的研究

纳米材料具有许多优异的特性,利用热喷涂技术制备纳米结构涂层是一种应用纳米材料的有效办法.文中介绍了纳米结构涂层喷涂材料的制备,包括液体喂料制备纳米材料、纳米粉末材料和纳米药芯丝材的制备,以及热喷涂制备纳米结构涂层的种类,纳米结构涂层的种类包括纳米结构陶瓷涂层、金属-陶瓷纳米复合涂层和金属纳米结构涂层.简要介绍了制备这些涂层所采用的工艺方法,以及涂层的结构和性能.指出了目前热喷涂制备纳米结构涂层存在的问题,并对其应用和发展前景作了展望.     

A2Zr2O7型稀土锆酸盐热障涂层研究进展

综述了国内外稀土锆酸盐热障涂层在制备技术,纳米涂层,涂层结构及涂层的热物理性能、力学性能及热腐蚀性能等方面的研究成果,讨论了稀土锆酸盐热障涂层在每个方面研究存在的不足。指出未来应该进一步改善稀土锆酸盐涂层的制备工艺及后处理工艺,提高涂层的结合强度,延长涂层的服役寿命,改善涂层耐腐蚀、抗烧结等性能;开发新的涂层制备工艺,重点研究各类纳米稀土锆酸盐涂层的性能;进一步提高涂层的隔热效果、服役温度及工作寿命。     

Adhesion improvements of Thermal Barrier Coatings with HVOF thermally sprayed bond coats

Thermal barrier coatings (TBC) are an effective engineering solution for the improvement of in service performance of gas turbines and diesel engine components. The quality and further performance of TBC, likewise all thermally sprayed coatings or any other kind of coating, is strongly dependent on the adhesion between the coating and the substrate as well as the adhesion (or cohesion) between the metallic bond coat and the ceramic top coat layer. The debonding of the ceramic layer or of the bond coat layer will lead to the collapse of the overall thermal barrier system. Though several possible problems can occur in coating application as residual stresses, local or net defects (like pores and cracks), one could say that a satisfactory adhesion is the first and intrinsic need for a good coating. The coating adhesion is also dependent on the pair substrate-coating materials, substrate cleaning and blasting, coating application process, coating application parameters and environmental conditions. In this work, the general characteristics and adhesion properties of thermal barrier coatings (TBCs) having bond coats applied using High Velocity Oxygen Fuel (HVOF) thermal spraying and plasma sprayed ceramic top coats are studied. By using HVOF technique to apply the bond coats, high adherence and high corrosion resistance are expected. Furthermore, due to the characteristics of the spraying process, compressive stresses should be induced to the substrate. The compressive stresses are opposed to the tensile stresses that are typical of coatings applied by plasma spraying and eventually cause delamination of the coating in operational conditions. The evaluation of properties includes the studies of morphology, microstructure, microhardness and adhesive/cohesive resistance. From the obtained results it can be said that the main failure location is in the bond coat/ceramic interface corresponding to the lowest adhesion values.     

地面重型燃气轮机及其热障涂层的研究进展与发展趋势

国际公认的重型燃气轮机制造尖端技术之一—热障涂层技术,高温下通常面临CMAS(CaO-MgO-Al₂O₃-SiO₂)腐蚀、氧化、相变与烧结等问题,其抗CMAS腐蚀性等关键性能极大地影响涂层寿命,提高热障涂层的性能刻不容缓。对重型燃气轮机用热障涂层的研究进展与发展趋势进行全面总结与分析。首先介绍国内外重型燃气轮机的现状及发展趋势、热障涂层的系统结构、材料和几种典型的制备工艺,然后针对高温下燃气轮机热障涂层遇到的一些问题,对其隔热性、抗氧化性及抗热震性等关键性能的研究进展进行综述,最后分类详述热障涂层的CMAS腐蚀机理及其防护研究进展。综述热障涂层的几种关键性能,提出热障涂层的性能与其材料、结构及制备工艺密切相关,据此总结归纳提高热障涂层性能的方法,为热障涂层性能的提高提供参考依据,以弥补燃气轮机热障涂层领域目前缺乏这类综述文章的不足。