YSZ热障涂层材料抗热震性能研究

以目前常用的高温热机热障涂层材料YSZ的热震实验为基础,重点讨论了热震温差与裂纹扩展的关系,以此确定材料的临界温差ΔTc的值,并分析热震过程对样品部分力学性能的影响。结果表明,大气等离子喷途(APS)法制备的YSZ涂层的临界温差ΔTc在425℃左右。涂层在热震过程中的裂纹扩展基本符合Hasselman模型。在表面热应力的影响下,热震后样品的硬度及断裂韧性均随ΔT升高而呈下降趋势。     

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。     

有关因素对热障涂层抗热震性能的影响

等离子喷涂热障涂层，对研制新型航空发动机具有重要意义。喷涂热障除层的关键，是如何提高涂层的抗热震性能。本文介绍了涂层结构、基体温度、涂层气孔率、不同粘结底层等因素，对涂层抗热震性能的影响。并简要介绍了涂层的抗高温氧化、抗热盐腐蚀性能及涂层的隔热效果。     

热障涂层（TBCs）的结构及其对热震性能的影响

对两种结构的ＴＢＣｓ试要进行了热震及结合强度测试,并用扫描电镜观察了ＺｒＯ２－８％Ｙ２Ｏ３面层裂纹的扩展情况。结果表明,梯度结构的ＴＢＣｓ的抗热震性能显著优于非梯度结构的ＴＢＣｓ,ＹＳＺ涂层的剥落与表面裂纹的扩展速率有关。     

等离子喷涂ZrO2热障涂层的抗热震性能研究

采用等离子喷涂方法在304不锈钢表面喷涂NiCoCrAIY2O3+(ZrO2+7%Y2O3)陶瓷热障涂层,模拟航空发动机涡轮叶片工作环境,研究涂层在加热和空气冷却条件下的抗热震性能.结果表明:喷涂后的涂层内部产生大量微观裂纹,随着热震次数的增加,陶瓷层内部的纵向微观裂纹通过大孔隙的连通方式逐渐在涂层内部扩展.ZrO2陶瓷喷涂后涂层主要以四方相和部分立方相组成,当涂层在热震40次时,陶瓷中的部分四方相向单斜相转变,并伴随着体积的变化,易在涂层中形成新的裂纹并加快原有裂纹的扩展.     

CoNiCrAlY黏结层结构设计及其对热障涂层结合强度和抗热震性能的影响

目的 设计热障涂层黏结层结构,改善涂层结合强度和抗热震性能。方法 制备了5种结构的CoNiCrAlY黏结层,即超音速火焰喷涂(HVOF)底层+等离子喷涂(APS)上层的双层结构黏结层试样,对其进行1 050℃真空热处理3 h后的试样,APS黏结层试样,HVOF黏结层试样及其真空热处理试样。再在以上5种试样表面制备Y₂O₃部分稳定ZrO₂(YSZ)陶瓷层,研究黏结层的表面粗糙度、相组成、微观组织结构及其对涂层试样结合强度、热震性能的影响。结果 制备态的黏结层由γ/γ’和β-NiAl两相组成,真空热处理后β相含量增多,表面粗糙度下降。在所有涂层试样中,双黏结层的涂层试样的结合强度最低,为28.43 MPa;对其真空热处理后得到的涂层试样的结合强度最高,达到39.42 MPa,主要原因在于热处理促进了两黏结层之间的扩散,提高了界面强度。双黏结层的涂层试样的抗热震性能最好,200次热震后涂层无明显剥落,而APS黏结层的涂层试样的抗热震性能最差,涂层抗热震性能的差异在于黏结层微观结构的不同。结论 双黏结层的结构设计综合了APS、H...     

La2Ce2O7/YSZ热障涂层抗热震性能的陶瓷层厚度影响研究

采用实验和数值方法研究了陶瓷层厚度比对La2Ce2O7/YSZ(LC/YSZ)热障涂层热震性能的影响。实验结果表明,随着LC与YSZ厚度比的降低,涂层热震寿命显著提高,涂层失效区域逐渐向试样中心转移,剥离位置逐渐从两陶瓷层界面附近转移到LC内靠近上表面处。数值结果表明,界面边缘处较大的轴向应力与剪切应力易导致较大厚度比涂层边缘处剥落;LC表面中心区域较大的径向拉应力会导致垂直裂纹萌生,并伴随界面偏折,这是较小厚度比涂层自LC内部剥离的原因。     

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.     

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.     

混合氧化物对等离子喷涂热障涂层热循环寿命的影响

采用梯度热循环试验与理论模型相结合的方式研究了混合氧化物对热障涂层寿命的影响。喷涂态热障涂层系统由Inconel 738基体、冷喷涂沉积的NiCoCrAlTaY粘结层(BC)及大气等离子喷涂制备的ZrO2+Y2O3(8%)陶瓷层组成。在1 150℃空气气氛条件下,经过保温20h制备了含有混合氧化物的涂层。每个热循环包括70s的加热,50s的保温及120s的压缩空气冷却。陶瓷层表面最高温度为1 150℃,此时250μm厚的陶瓷层隔热150℃。结果表明:涂层中存在混合氧化物时,其寿命显著降低,且涂层寿命降低程度与混合氧化物和α-Al2O3生长诱发的YSZ应变量,以及混合氧化物的覆盖率有关。与α-Al2O3相比,较高生长速率的混合氧化物易诱发YSZ产生较高的应变,过早地诱发涂层未结合界面扩展、合并,进而导致涂层快速失效。     

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。     

Thermal Shock Property of Al/Ni-ZrO2 Gradient Thermal Barrier Coatings

Al/Ni-ZrO2 gradient thermal barrier coatings are made on aluminum substrate using plasma spraying method and one direction thermal shock properties of the coatings are studied in this paper. The results show that pores in coatings link to form cracks vertical to coating surface. They go through the whole ZrO2 coating once vertical cracks form. When thermal shock cycles increase, horizontal cracks that result in coatings failure forms in the coatings and interface. And vertical cracks delay appearance of horizontal cracks and enhance thermal shock property of coatings. Failure mechanisms of coating thermal shock are discussed using experiments and finite element method.     

Influence of Microstructures on Thermal Shock and Sintering Behavior of YSZ-based Thermal Barrier Coatings

In this study, two thermal barrier coatings based on YSZ were produced by using a commercially available agglomerated and sintered powder and a special spray powder prepared by high energy ball milling. Both thermal barrier coatings exhibited similar overall porosities, but significantly different microstructures. Application of the special spray powder prepared by high energy ball milling led to a microstructure with numerous inclusions of semi-molten agglomerates, which introduced a plethora of clusters of fine pores into the coating and several more microstructural defects. This microstructure resulted in a significantly better thermal shock behavior compared to the conventional thermal barrier coating. The heat treatment of both thermal barrier coatings atθ=1150℃for t=100 h led to a sintering of both coatings. The results were reduced overall porosity and significantly increased fracture toughness. A correlation between the fracture toughness of both coatings after the heat treatment and the thermal shock life time could not be identified.     

基于临界失效能密度判据的热障涂层热震损伤行为研究

目的探索热障涂层系统(TBCs)在热震过程中的损伤行为。方法基于材料能量储存极限,推导了适用于平面复杂应力情形的温度相关性临界失效能密度判据,进而利用该临界失效能密度判据与ABAQUS有限元软件相结合,研究了热生长氧化层(TGO)凸起的热障涂层系统在冷却热震过程中的损伤行为。结果对于TGO层凸起的热障涂层系统,计算了冷却热震过程中陶瓷层(TC)和TGO层的失效能密度分布云图,并根据最大失效能分布情况分析了TBCs在热震过程中各层材料的可能破坏位置,所得结果与实验吻合较好。在对TBCs的冷却热震损伤行为模拟计算中发现,当TC层的强度比较低时,热震会使TC层上表面产生往内部扩展的垂直裂纹;当TC层强度达到某一定值时,首先发生热震破坏的位置由TC层上表面变成了TGO层与粘结层(BC)的界面处,即TBCs的各层破坏顺序发生了变化。结论使用临界失效能密度准则来判断热障涂层在冷却热震过程中的损伤行为,比单纯使用某一方向应力更为准确,并能准确判断损伤起始位置和演化情况,从而更全面地反映热障涂层在热震过程中的损伤破坏行为。     

Thermal Shock Property of Al/Ni-ZrO_2 Gradient Thennal Barrier Coatings

THERMAL BARRIER COATINGS can holdbackintrusion of high temperature,high heat to increaseapplied temperature and life of substrate metal parts,and have been applied on heat position of rocket,satellite,aero engine and gas engine"31.But thermalstresses are produced during thermal shock due tomismatch of thermal properties between ceramiccoatings and substrate metal,therefore thermal shockproperties of coatings are very poor.Gradient thermalbarrier coatings make materials gradually chang…     

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8YSZ涂层在铝熔体作用下热冲击行为的数值模拟

目的定量理解等离子喷涂8YSZ热障涂层浸入铝熔体中的热冲击行为。方法基于热-力耦合计算方法有限元数值模拟,研究等离子喷涂8YSZ热障涂层浸入铝熔体时涂层中的瞬态温度场和瞬态应力场,以及涂层预热温度、陶瓷层厚度对应力分布的影响。结果温度场计算表明,在涂层浸入铝熔体0.1 s时,涂层表面就达到了铝熔体温度。随着涂层浸入铝熔体的时间增加,涂层内的温度分布逐渐由指数分布转变为近线性分布,而且涂层内的温度梯度也随着时间的增加而减小。相应涂层中的应力在相当短的时间内就达到了最大值,并随着加热时间的增加,最大应力值逐渐减小。涂层预热温度越高,在陶瓷层中的轴向应力和环向应力均越小,预热温度对轴向应力的影响更加明显。随着陶瓷层厚度的增加,陶瓷层内的轴向应力和环向应力值均增加,粘结层内的轴向应力和环向应力值均减小。结论对热障涂层进行预热处理可以有效降低涂层中的热应力值。涂层厚度增加,陶瓷层内应力随之增加,粘结层内应力随之减小,且陶瓷层厚度对粘结层中的应力影响更加明显。