悬浮液等离子喷涂YSZ/GZ热障涂层的等温氧化性能研究

采用悬浮液等离子喷涂(SPS)分别制备8%氧化钇稳定氧化锆(8%Y_2O_3-ZrO_2,8YSZ)热障涂层和以8YSZ为陶瓷层底层,顶层为GZ(Gadolinium Zirconate)的双陶瓷层热障结构(YSZ/GZ)。在大气环境箱式电阻炉中1150℃下对两种热障涂层进行了10 h、50 h和100 h时长的等温氧化处理,通过对高温氧化前后质量和孔隙率变化分析了两种涂层的抗氧化性和烧结现象,采用扫描电子显微镜和能谱仪观察分析了涂层不同等温氧化时长下的微观组织变化和热生长氧化层(TGO)的元素构成,通过X射线衍射分析了氧化前的相的组成。结果表明:双陶瓷层热障结构具有更好的抗氧化性和高温型,主要归结于GZ晶体结构中存在稳定的弗伦克尔缺陷的氧离子。陶瓷层和粘结层界面的TGO的产生和长大仍是其失效的主要原因。TGO主要由Al和Cr的氧化物组成。烧结现象在等温氧化10 h处,最为明显。     

基体条件对Sm2Zr2O7/YSZ双陶瓷层热障涂层界面残余热应力的影响

采用有限元分析软件ANSYS对等离子喷涂Sm2Zr2O7/YSZ双陶瓷层热障涂层界面残余热应力分布进行了数值仿真。结果表明:基体厚度不同时,涂层界面Sm2Zr2O7/YSZ及界面YSZ/NiCoCrAlY对应应力及应力梯度基本不变,表明应力及应力梯度与基体厚度无关;但基体材质热膨胀系数对涂层系统界面的径向、轴向及剪切应力梯度有决定性的影响,且各应力梯度随金属基体的热膨胀系数差异增加而增大,表明基体材质是影响涂层界面径向残余热应力及应力梯度的根本原因。采用多层陶瓷结构并合理选择各层材质的热膨胀系数将更加有利于降低涂层应力梯度,进而改善涂层性能,延长涂层寿命。     

粘结层的铝含量及热处理对航空发动机热端部件DZ40M合金上热障涂层静态氧化行为的影响

采用超音速火焰喷涂在航空发动机热端部件DZ40M合金表面制备了铝含量不同(6%、8%和12%)的Ni-Co基粘结层,再等离子喷涂YSZ(氧化钇稳定氧化锆)陶瓷面层,制得了热障涂层。通过扫描电镜、X射线衍射仪和拉曼光谱仪研究了粘结层成分及其真空热处理对热障涂层显微形貌、物相组成以及界面热生长氧化物(TGO)的影响。结果表明,3种粘结层的致密性均较高,与基材以及陶瓷层结合较好。3种喷涂态粘结层中的物相组成与原始粉末相似,随着Al含量增加,原始粉末和喷涂态粘结层中β相的含量逐渐增加。粘结层的真空热处理可以有效降低3种热障涂层在静态氧化过程中TGO的增厚速率。未经粘结层真空热处理制成的热障涂层中,TGO的增速与粘结层中Al的含量有关。粘结层真空热处理后,晶界扩散会显著影响TGO的增厚速率,TGO晶粒尺寸的增加会造成晶界数量减少,相应地会降低TGO的增厚速率。     

热障涂层体系中各界面失效行为的研究进展

主要介绍了关于高温合金表面热障涂层体系中界面失效行为的研究进展,针对热障涂层中的基体/粘结层界面、粘接层/TGO界面和TGO/陶瓷层界面,进行了高温服役过程中的退化失效及结构演变行为分析,提出了影响热障涂层界面性能的研究重点和方向。     

Al2O3拉晶杆的研制

该新型材料用于延长机械零件的服役期限,提高服役可靠性。研究中采用等离子喷涂技术,制备了具有耐磨、耐蚀和耐热等多功能的陶瓷梯度涂层,针对热喷涂陶瓷涂层中残余应力、微孔洞和层间界面的弱结合三大问题,研究过程中系统地研究了喷涂工艺参数、涂层结构和陶瓷材料成分对涂层组织和性能的影响。本研究将功能梯度材料设计思想运用到多功能涂层设计中,给出了适合工业应用的梯度复合结构涂层模型;在Cr2O3陶瓷材料中采用CeO2、SiO2添加剂可改善涂层的组织和性能;同时建立了涂层热震寿命预测数学模型,为涂层安全可靠工作提供了理论依据。耐磨…     

热障涂层氧化层厚度对残余应力的影响

对热障涂层氧化过程进行了详细的阐述,推算了氧化增厚动力曲线,采用ANSYS分别建立了不同氧化层厚度的热障涂层微观二维模型,氧化层界面形状简化为正弦形式。模拟了氧化层不同特征厚度时的应力变化,分析了不同氧化增长方向对各层残余应力的影响。结果表明:随着氧化层的增厚,粘结层波峰处σy增幅较大,易在氧化层和粘结层间发生分层。氧化层分别向TBC层、BC层以及同时向两层方向增长时,发现不同的氧化层增长方向对各层内的残余应力影响不大,可以忽略其影响。     

热冲击下含椭圆形裂纹热障涂层热力耦合分析

针对局部受强瞬态热冲击作用下的含椭圆形裂纹的三层热障涂层系统,采用L-S型(Lord和Shulman)广义热弹性理论,建立二维热力耦合方程组及相应边界条件,初始条件和连续性条件。对涂层系统的温度场和应力场数值计算表明:热波到达裂纹时,裂纹尖端附近的温度和应力均产生突变。当裂纹在陶瓷层中或在陶瓷层和氧化层界面时,热波在裂纹面上会产生反射和透射现象;同时压应力突变为拉应力,在陶瓷层和氧化层中产生热失配效应。     

热障涂层在热载荷下的高温氧化和热烧蚀性能研究

热障涂层具有良好的隔热性能,保护高温合金基底正常工作,提高部件工作寿命。由于涂层部件服役于高温环境,会产生热烧蚀并发生高温氧化等作用,造成涂层表面裂纹的产生,甚至涂层/基底的界面破坏,缩短部件使用寿命。所以研究热障涂层体系在热载荷下的破坏行为极其重要。通过设计试样在相同温度下不同氧化时间的研究实验。结果表明热生长氧化层成分主要是Al的氧化物,其厚度与氧化时间的关系服从抛物线规律(氧化动力学曲线);对高温氧化后的试样进行纳米压痕实验,发现随着氧化时间的增加,涂层的弹性模量和硬度都会增加并趋于稳定。     

单层厚度对Sm2Zr2O7/8YSZ热障涂层残余热应力的影响

采用有限单元法研究了金属粘结层厚度、热生长氧化层厚度及陶瓷层厚度对Sm2Zr2O7/8YSZ双陶瓷层热障涂层残余热应力的影响。结果表明,金属粘结层厚度为0.1mm时,涂层径向应力最小。涂层径向应力随热生长氧化层的厚度的增加而减小。当YSZ厚度在0.1～0.5mm之间时,径向热应力随YSZ厚度增加而增大,超过0.5mm后应力基本不再变化。陶瓷层最佳厚度组合是0.1mmYSZ+0.9mmSm2Zr2O7。     

局部热冲击作用下热障涂层热力耦合问题研究

针对局部受强瞬态热冲击作用下的四层热障涂层系统,采用非Fourier热传导定律,建立二维线弹性热力耦合方程组及相应边界条件和初始条件。对热障涂层的温度场和应力场进行模拟,并分析其可能产生破坏的原因。结果表明,热在涂层中是以波的形式传播的,并在界面上产生反射和叠加,具体给出了热波波前的传播路径。最高温度和最大应力总是出现在热波波前区域。由于材料性质不同,陶瓷层和氧化层界面产生热失配现象,可能会使界面处发生剥离,使涂层失效。     

等离子喷涂Al2O3陶瓷涂层的研究

研究等离子喷涂Al2O3陶瓷涂层的抗热震性能,分析并计算等离子喷涂Al2O3陶瓷涂层和AlAl2O3涂层中的残余应力,得出了两种涂层的应力分布,测试了TiO2含量对Al2O3陶瓷涂层性能的影响,检验了影响涂层质量的工艺参数.     

高温熔烧法在304不锈钢表面制备硅酸盐基陶瓷涂层的性能

以"硅酸钠+硅酸钾"溶液(质量比1:2)为粘结剂,采用高温(800°C)熔烧法在304不锈钢表面制备了4种陶瓷骨料含量不同的硅酸盐陶瓷涂层。使用扫描电镜、X射线衍射仪和热重分析仪表征了所得涂层的形貌、物相和成膜过程中的质量变化,考察了涂层的高温氧化动力学行为,探讨了涂层厚度与结合强度之间的关系,测试了涂层的抗热震性能。结果表明,以8%Al粉、6%SiC、6%B_4C、4%钛白粉和4%玻璃粉制备的涂层表面平整。基体中的Fe元素与陶瓷骨料组分之间相互扩散与渗透,形成了AlB_2、Fe_xTi_yO_z等新的晶相。该涂层在厚度为150μm时与基体的结合强度为26.1 MPa,经1 100℃高温氧化5 h后单位面积氧化增重量仅为0.21 mg/cm~2,表现出优异的抗高温氧化性能。该涂层的热膨胀系数与金属基体最接近,因而表现出最好的抗热震性能。     

等离子喷涂Sm_2Zr_2O_7热障涂层残余热应力

采用有限元分析软件ANSYS对等离子喷涂Sm2Zr2O7热障涂层在金属基体材质类型、厚度、半径变化时涂层的残余热应力进行了分析。结果表明,金属基体的热膨胀系数对Sm2Zr2O7热障涂层的残余热应力有着显著影响,金属粘结层与表面陶瓷层界面处的残余应力及其应力梯度随着金属基体热膨胀系数增加而增大。金属基体厚度和半径不是影响Sm2Zr2O7热障涂层残余应力的主要因素。     

Al_2O_3包覆ZrO_2粉体制备的热障涂层材料的结构与性能

以化学液相法制备的Al_2O_3包覆ZrO_2/Y_2O_3复合粉体作为喷涂原料,利用等离子喷涂法制备了不同厚度的热障涂层。采用X射线衍射仪和扫描电子显微镜对涂层物相和显微结构进行了分析,并对其相结构稳定性、与基体结合强度、抗高温氧化性等性能进行了研究。结果表明:采用Al_2O_3包覆ZrO_2/Y_2O_3复合粉体制备的热障涂层具有t相结构,涂层与基体之间具有较好的结合力,不同厚度涂层试样SEM形貌表面平整、光滑细致、晶界清晰、晶粒大小均匀,但气孔和裂纹随涂层厚度增大明显减少。经1 050℃氧化10 h处理后,涂层的氧化后质量增加速率随氧化时间的延长明显变缓,另外涂层的稳定性、高温抗氧化性能及隔热效果随着涂层厚度的增大而增强。     

钛合金高温防护陶瓷涂层的制备与性能

以磷酸二氢铝作为粘接剂,氧化镁与氧化锌作为固化剂,氧化铝与氮化硼作为填料,正硅酸四乙酯作为助剂制备出水性涂料,通过空气喷涂将涂料喷涂到TC18钛合金表面固化后制备出高温防护陶瓷涂层,并对涂层防护的钛合金基体进行了900℃条件下的高温氧化试验与抗热震试验。结果表明:高温氧化试验结束后整个TC18钛合金基体完全氧化,涂层涂覆试样保持完好,在900℃高温氧化环境中达到弱抗氧化性级别。陶瓷涂层历经60次空冷与水冷的抗热震性试验后陶瓷涂层保持宏观完整,未发生大面积脱落现象。     

Cf/SiC 复合材料的 ZrB2-SiC/SiC 超高温陶瓷涂层研究

采用两步包埋法在Cf/SiC复合材料表面制备了Zr B_2-SiC/SiC超高温陶瓷涂层。借助SEM、XRD对涂层的微观结构及物相组成进行了分析研究,并进行了高温静态氧化和热震测试。研究表明,1500°C氧化5 h后,涂层表面覆盖有平整的玻璃相氧化层,氧化失重率为6.4%;热震测试10次后涂层的氧化失重率为14%。Zr B_2-SiC/SiC涂层能有效提高Cf/SiC复合材料的高温抗氧化性能。     

氧化钇稳定氧化锆涂层的研究现状

由于氧化钇稳定氧化锆(YSZ)陶瓷材料在作为热障涂层的使用过程中存在因抗烧结性能差、应力裂纹、涂层脱落等导致涂层失效的问题,本文主要从热障涂层的制备工艺,抗烧结性能、控制TGO的生长、抗CMAS腐蚀及YSZ面层应变容限等方面的改善方法进行论述,通过提高涂层纯度、改变粘接层及涂层成分、涂层结构及制备柱状结构YSZ陶瓷面层释放热失配应力等可有效改善涂层在使用过程中的失效问题。     

烧嘴端面热障涂层应用特性分析

为了利用热障涂层技术解决烧嘴端面烧损问题,开展模拟研究对比增加热障涂层前后烧嘴端面金属材料的隔热性,开展热震性实验测试不同涂层材料以及不同喷涂工艺热障涂层的热震性。结果表明,热障涂层可显著降低烧嘴端面温度,1873 K辐射温度条件下可降低45%;采用封孔工艺的铈酸镧（La₂Ce₂O₇,LCO）材料具有最佳的热震性,1200℃条件下循环热震仅少量裂纹,未见明显失效现象。     

高温熔烧法制备金属基陶瓷涂层的研究

以玻璃熔块、氧化铬粉、粘土粉和硅酸锆微粉为原料制成的涂料,用滚涂法将其均匀涂覆在不锈钢管上,经高温(1000~1050℃保温20min)熔烧制备出了耐磨、抗高温氧化的陶瓷涂层。对陶瓷涂层的耐磨性、抗高温氧化性、抗热震性等性能进行了测试,并对影响涂层性能的因素进行了研究。结果表明:引入具有较大热膨胀系数的玻璃熔块料有利于提高涂层结合性;加涂层的试样均能明显改善基体的耐磨性和抗高温氧化性。涂层的耐磨性随硅酸锆微粉加入量的增加而提高,加入量为15%时耐磨性和抗热震性最好,其热震循环(1000℃空冷)可达22次。     

超音速等离子喷涂制备陶瓷涂层的研究进展

超音速等离子喷涂技术由于具有高温、高速的独特优点,且制备的陶瓷涂层结合强度和致密度高,孔隙率低,具有优良的耐磨损、耐腐蚀、抗氧化和热冲击性能,已成为一些发达国家竞相研究的热点.本文介绍了常用的陶瓷涂层材料,综述了超音速等离子喷涂技术及其制备陶瓷涂层的工艺特点,并对超音速等离子喷涂制备高性能陶瓷涂层的发展趋势进行了展望.