等离子喷涂热障涂层的热循环氧化行为研究

本文采用大气等离子喷涂在HA188合金基材上制备NiCrAlY+YSZ热障涂层，并进行了1100 oC、1120 oC和1150 oC三个温度点的高温循环氧化行为对比研究。结果表明，随着考核温度的升高，热障涂层热循环失效寿命显著下降，失效主要是由YSZ/NiCrAlY界面附近YSZ 层中裂纹形成和扩展导致。循环失效后的YSZ与制备态的相结构一样，均为非平衡四方相t"-ZrO2，未发生t"→c+m相变。在热循环过程中，YSZ/NiCrAlY界面形成的热生长氧化物层（Thermally Grown Oxide, TGO）增厚基本符合“抛物线”规律，并且YSZ中裂纹的产生和扩展与TGO的增厚直接相关。     

热循环下梯度热障涂层热氧化物生长的应力分析

建立了一种预测多层复合梯度热障涂层热应力的理论模型,并通过有限元方法分析了梯度涂层分布指数n、热循环过程中热氧化物的生长对涂层热应力大小及分布的影响。结果表明,通过控制梯度涂层的成分分布指数可以显著降低热应力和改善应力分布。当n=1时,涂层热应力较小且变化平缓,结合性能优异。与双层非梯度涂层的热应力对比可知,功能梯度涂层能显著地缓和涂层系统的热应力和消除应力集中。另外,热循环过程中梯度热障涂层与基体界面附近生长的热氧化物急剧地提升了界面附近的热应力,复杂而又集中的热应力对梯度涂层有很大的破坏。同时采用了一种方法来抑制热氧化物的生长,结果显示该方法能较好地优化涂层的热应力和改善涂层质量。     

热障涂层高温氧化生长应力预测

基于Clark氧化生长应变率理论和Wagner氧化模型给出了涂层高温生长应力公式,计算预测了热障涂层中氧化生长应力随时间的演化规律;利用光致发光分析技术对氧化层的应力进行了实验测试,并对两种结果进行了比较和分析。结果表明,本文给出的热障涂层高温氧化生长应力模型预测与实验结果符合     

等离子喷涂梯度热障涂层的抗热震性能

对比研究了等离子喷涂梯度热障涂层与双层热障涂层,试验中梯度热障涂层选用不同比例的NiCoCrAlY与ZrO₂-8%Y₂O₃复合粉末作为梯度过渡层材料,并对两种结构的热障涂层进行了抗热震性能试验。抗热震试验结果表明,梯度热障涂层的抗热震寿命明显高于双层热障涂层的抗热震寿命。     

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.     

NiCoCrAlYHf/EB-PVD热障涂层的热循环氧化行为

采用电子束物理气相沉积方法(EB-PVD)在NiCoCrAlYHf粘结层上沉积YSZ热障层,研究了该热障涂层1 100℃的循环氧化行为(每个循环为:1 100℃保温30 min、空冷5 min),分析了粘结层和热生长氧化物的演化过程.结果表明:NiCoCrAlYHf粘结层氧化初期由β-NiAl和γ固溶体组成,186次循环氧化后β相完全转变为γ固溶体.NiCoCrAlYHf/EB-PVD热障涂层中的热生长氧化物包含Al2O3层和靠近热障层的尖晶石薄层.该热生长氧化物生长速度较快,在粘结层的一些富Hf区域优先生长而呈现出明显的不均匀性;但其具有较大的失效临界热生长氧化物厚度,失效时热生长氧化物均匀处的厚度约为10 μm.     

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。     

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。     

等离子喷涂耐磨涂层及热障涂层的新进展

综述了等离子喷少技术在耐磨损涂层及热障涂层方面的研究进展,分析了等离子喷涂技术与新设备,新工艺融合后两种涂所展现出的更为优越的性能;最后指出了两种涂层的发展趋势。     

等离子喷涂热障涂层高温 TGO 的形成与生长研究

目的研究热障涂层(TBC)和纯粘结层(BC)在1100℃下的氧化动力学,探讨热障涂层中热生长氧化物(TGO)组织结构的演化规律。方法运用大气等离子喷涂技术(APS)制备涂层,对比分析热障涂层和纯粘结层涂层在1100℃下等温氧化2,5,10,20,50,100,200,350 h后TGO的厚度变化,并对粘结层表面和热障涂层截面分别进行XRD和SEM分析。结果热障涂层和纯粘结层在1100℃下的氧化动力学均遵循抛物线规律,其氧化速率常数分别为0.344,0.354μm/h0.5。等温氧化5 h后,TGO的主要成分为α-Al2O3;随氧化时间的增加,生成Cr2O3、尖晶石、Co O和Ni O的混合氧化物;等温氧化100 h后,Co O消失,Ni O的含量减少,Cr2O3和尖晶石氧化物的含量增加;等温氧化350 h后,TGO中出现了裂纹,但涂层仍未剥落,TGO最终由顶层多孔的混合氧化物层和底层具有柱状晶结构的α-Al2O3层组成。结论顶层陶瓷层(TC)对热障涂层氧化速率常数的影响很小。TGO中α-Al2O3首先形成并以柱状结晶的方式生长,混合氧化物在α-Al2O3上形成,TGO生长速度逐渐变缓。     

EB-PVD热障涂层的结构演变与表面拉曼光谱特性

热障涂层被广泛应用于航空发动机和燃气轮机等高温部件,其破坏机理和无损检测手段是研究中急需解决的问题。采用EB-PVD方法制备了陶瓷层厚度分别为180、120和90μm的3组热障涂层试样,经1 000℃高温氧化0、1、10、50和100h后,用HR800激光显微拉曼光谱仪测得试样表面的拉曼光谱特性,利用扫描电镜(SEM)观测了试样内部裂纹及氧化层(TGO)厚度的演变。研究表明,EB-PVD热障涂层裂纹主要发生在陶瓷层内部及陶瓷层与粘结层的界面处,粘结层和基体界面处产生裂纹的概率相对较小;同等条件下,增大陶瓷层的喷涂厚度,可以减缓氧化层的生长速度,但是会增大陶瓷层表面应力;热障涂层表面残余应力会随着热氧化时间的增加而增大,当表面残余应力减小时表明陶瓷层中有明显的裂纹或脱落产生。     

多层结构热障涂层抗热震性能的研究

本文采用电子束物理气相沉积技术(EB-PVD)在镍基单晶合金N5基体上制备了双层热障涂层(粘结层+陶瓷层)和三层热障涂层(粘结层+混合层+陶瓷层),并对两组涂层体系的热循环性能进行1100℃保温5min 水冷的热震实验,对其微观组织结构采用扫描电镜、能谱仪以及X射线衍射进行了分析。研究发现,在粘结层和陶瓷层之间添加的混合层(NiCrAlY+YSZ)能够延缓TGO层的生长,并具有缓解内应力的作用,两者的共同作用使得三层结构的热障涂层表现出更为优异的热匹配性。     

燃气热冲击对PS-PVD和APS热障涂层的微结构和隔热性能的影响

采用等离子喷涂-物理气相沉积(PS-PVD)和大气等离子喷涂(APS)技术分别制备柱状和层状YSZ陶瓷层,在1 250℃的燃气热冲击下对比研究两种涂层体系的微结构演变和隔热性能变化。结果显示,燃气热冲击后PS-PVD和APS制备的两种YSZ层主要由t'相和c相构成。APS制备的YSZ层微裂纹不断生长开裂并出现局部层状剥落,而PS-PVD制备的YSZ层的"菜花头"间隙不断增大并出现局部"菜花头"剥落。同时表明,PS-PVD制备的热障涂层在长期燃气热冲击时抗氧化性及隔热效果均优于APS制备的热障涂层。     

Detection of thermally grown oxides in thermal barrier coatings by nondestructive evaluation

The thermal-barrier coatings (TBC) sprayed on hot-section components of aircraft turbine engines commonly consist of a partially stabilized zirconia top-coat and an intermediate bond-coat applied on the metallic substrate. The bond-coat is made of an aluminide alloy that at high engine temperatures forms thermally grown oxides (TGO). Although formation of a thin layer of aluminum oxide at the interface between the ceramic top-coat and the bond-coat has the beneficial effect of protecting the metallic substrate from hot gases, oxide formation at splat boundaries or pores within the bond-coat is a source of weakness. In this study, plasma-sprayed TBC specimens are manufactured from two types of bond-coat powders and exposed to elevated temperatures to form oxides at the ceramic-bond-coat boundary and within the bond-coat. The specimens are then tested using nondestructive evaluation (NDE) and destructive metallography and compared with the as-manufactured samples. The objective is to determine if NDE can identify the oxidation within the bond-coat and give indication of its severity. While ultrasonic testing can provide some indication of the degree of bond-coat oxidation, the eddy current (EC) technique clearly identifies severe oxide formation within the bond-coat. Imaging of the EC signals as the function of probe location provides information on the spatial variations in the degree of oxidation, and thereby identifies which components or areas are prone to premature damage.     

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.     

燃气轮机起动过程热障涂层的应力数值分析

考虑了热障涂层在服役过程中发生的陶瓷层烧结和氧化层增厚作用,对燃气轮机起动过程中涂层热应力进行了数值研究。通过瞬态传热模拟获得起动过程温度场,运用顺序热应力耦合求解起动过程热应力。其中起动初始的陶瓷层烧结和氧化层增厚状态,通过预先模拟高温烧结和氧化层增厚过程来获得,并通过ABAQUS子程序分别实现。结果表明,起动过程中涂层瞬态温度场的变化主要受燃气温度的变化规律所影响。起动过程未见热应力激增现象,陶瓷层烧结和氧化层增厚主要对起动初期,尤其是起动过程的初始残余应力有重要影响,对起动过程中后期的影响可忽略。烧结对陶瓷层和粘结层的热应力均有较大影响,而氧化层增厚对陶瓷层热应力的影响很小,但其对粘结层热应力的影响比烧结更大。     

粘结层真空退火处理对热障涂层热循环寿命的影响研究

目的研究粘结层真空退火处理对热障涂层热循环条件下服役性能的影响。方法在某二代镍基单晶高温合金上涂覆铂铝粘结层,然后采用电子束物理气相沉积法沉积氧化钇稳定的氧化锆陶瓷层,构建热障涂层体系,在1100℃下可自动升降的循环氧化炉中进行热循环测试,通过高精度电子天平对涂层样品进行称量并绘制质量变化曲线,采用拍摄宏观照片的方式观察样品表面陶瓷层剥落情况,利用扫描电子显微镜观察沉积态及热循环后的样品截面微观组织结构形貌。结果与沉积态粘结层相比,在高真空中进行退火处理后,热障涂层的热循环寿命几乎增加一倍,且陶瓷层与热生长氧化膜结合良好。未经过真空处理的铂铝涂层表面陶瓷层发生明显剥落,且热生长氧化膜质量较差,出现了明显裂纹。结论真空退火处理可使铂铝涂层表面更加平整,在高温氧化过程中生成的低缺陷氧化膜有更好的质量,陶瓷层与粘结层的结合力更强,热障涂层体系的服役性能和寿命得到有效提升。