镍基合金涡轮叶片热障涂层研究进展

航空发动机火焰筒浮动瓦片采用等离子喷涂Y₂O₃-ZrO₂热障涂层进行防护,发动机试车后部分浮动瓦片的热障涂层局部区域发生脱落。利用体视显微镜、扫描电子显微镜、能谱仪、X射线衍射仪等对发生涂层脱落的浮动瓦片表面形貌、显微组织、微区成分和相组成进行分析。结果表明：热障涂层主要发生Y₂O₃-ZrO₂面层剥落,裂纹萌生于NiCoCrAlY底层未熔颗粒突起部位所形成的热生长氧化层（TGO）附近,并沿平行于界面的方向扩展。陶瓷面层脱落的原因与金属底层厚度偏薄,金属底层含有超量的未熔颗粒及孔隙,陶瓷面层中含有单斜晶系m相有关,从而导致高温下陶瓷面层中应力过大而开裂、剥离。加强涂层组织结构检验并采用纳米结构团聚型面层喷涂粉末,能够改善热障涂层的工作可靠性。

     

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     

热障涂层研究进展

综述了热障涂层的设计思想和工作原理、部分稳定氧化锆陶瓷面层成分的选择、热障涂层制备方法及ＡＰＳ和ＥＢ－ＰＶＤ制备热障涂层的典型结构,分析热障涂层高温氧化等引起涂层破坏的因素。     

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.     

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。     

航空发动机热障涂层存在的问题及其发展方向

热障涂层主要作用在发动机的热端部件,可以减少油耗,提高效率,延长热端部件使用寿命。热障涂层技术的高速发展使得航空发动机的性能得到了极大的提高,但是它在使用过程中存在着失效问题。主要对陶瓷面层存在的高温烧结、热生长氧化物生长应力、高温热腐蚀和界面应力失配四种问题进行了论述,并针对具体问题提出了解决方案。同时,对新型的低热导率热障涂层和应用在CMC基体上的热障涂层的研发情况进行了综述和展望。     

热障涂层高温抗氧化性能研究的现状及发展

热障涂层是目前最为先进的高温防护涂层之一,它具有良好的隔热效果与抗高温氧化性能。文中从热障涂层的制备工艺及其长期在高温腐蚀的恶劣环境下的失效机制等方面,综述了热障涂层在高温环境下服役时,在粘结层和陶瓷面层之间生成一层热生长氧化物,热生长氧化物生成与生长如何导致涂层失效及如何改善高温抗氧化性能研究的热点问题,在此基础上提出了作者关于如何提高涂层抗氧化性能的一些新观点。     

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。     

航空发动机涡轮叶片热障涂层失效分析研究

采用扫描电镜及能谱对航空发动机涡轮叶片热障涂层进行失效分析,将叶片划分为9个区域,发现其前缘区域由于涂层的使用温度高、粘结层氧化、尖晶石等大量生长,导致在TGO/陶瓷层界面处产生大量的生长应力,呈TGO/Top coat界面分层失效。后缘区域呈粘结层/基体分层分裂失效,同时所有区域都有CMAS腐蚀。CMAS附着在涂层表面,沿着纵向裂纹等缺陷渗透到涂层内部,引发涂层产生横向分层,并导致涂层腐蚀剥落。     

激光重熔热障涂层TGO生长与抗高温氧化机制

激光重熔是提高热障涂层(TBC)陶瓷层致密度进而减少氧气传输通道的有效途径。本文将TBC陶瓷层表面进行激光重熔,通过1100℃高温氧化实验,研究重熔层对TBC热生长氧化物(TGO)的影响规律,阐明了激光重熔对提高TBC抗高温氧化性能的作用机理。结果表明：喷涂态TBC(AS-TBC)、重熔态TBC(LR-TBC)的TGO厚度及氧化增重均随氧化时间的延长而增长。重熔层能消除部分喷涂缺陷,降低陶瓷层表面粗糙度,减少涂层与氧气的接触面积。经过激光重熔的陶瓷层更加致密,促使层内粒子间隙愈合,而且重熔层的裂纹缩小甚至闭合提高了LR-TBC的应变容限,从而抑制了LR-TBC中氧通过孔隙与裂纹向黏接层的渗透,延缓了氧化中后期TGO的生长,使其直至氧化结束始终保持单一Al₂O₃层的TGO结构。最终,LR-TBC的抛物线氧化速率K_p相比AS-TBC下降了9.00%。     

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.     

EB-PVD热障涂层高温氧化过程中的显微结构和相分析

采用磁控溅射方法在镍基单晶高温合金基体上沉积NiCrAlY粘结层，电子束物理气相沉积方法（EB－PVD）沉积陶瓷层（7mass%Y2O3-ZrO2)。用X－射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）等研究了EB－PVD热障涂层热循环过程中的相变，同时观察了样品的形貌变化。结果表明，EB－PVD方法沉积的陶瓷层，其柱状晶粒簇拥成团，表面比较致密，然而晶粒簇间存在间隙，允许柱状晶横向伸缩，使基体能在相对大的范围内自由膨胀。经高温氧化后，陶瓷层表面变得疏松，柱状晶粒簇间距增大，随着热循环的继续进行，相邻较大的间隙互相连接而形成微裂纹，并逐渐横向及纵向扩展，循环氧化比恒温氧化更易于产生显微裂纹。1050℃热循环过程中，ZrO2正方相的c/a轴比值逐渐增加，Y2O3含量逐渐减少，非平衡正方相逐渐分解成平衡正方相和立方相。循环300次后，观察到少量从平衡正方相转变而来的单斜相。     

纳米YSZ热障涂层中TGOs层的生长行为

通过对热障涂层在高温静态氧化过程中TGOs层形貌的观察,研究了Al_2O_3层对TGOs层生长过程的作用机制。结果表明:致密的Al_2O_3层能有效降低TGOs层的生长速率;当Al_2O_3层消失后,TGOs层的生长速率由0.61μm·h~(-0.5)迅速增大至1.29μm·h~(-0.5)。氧化过程中,在Al_2O_3层与粘结层界面上生长的混合氧化物会逐渐向上"吞噬"原有的Al_2O_3层,并导致Al_2O_3层的减薄直至最终消失。Al_2O_3层的稳定性对TGOs的生长具有显著的影响。     

热生长下热障涂层残余应力及失效分析

针对典型热障涂层结构以界面开裂和涂层剥落为主要失效模式,考虑界面凹凸微观形貌特征,借助材料转换的方法实现氧化生长,利用粘弹塑性有限元法,研究了氧化层热生长和蠕变等因素对热障涂层残余应力的影响,并从应力应变循环演化的角度对热障涂层系统中微裂纹的萌生位置进行了预测。结果表明,随着氧化层厚度的增大,垂直于界面方向的残余应力迅速增大;材料蠕变对热障涂层系统应力释放作用显著;从残余应力和应变演化的角度进行评价,结构中的微裂纹会率先出现在粘接层凸峰以及陶瓷层/氧化层/黏结层界面的中间位置,仿真分析结果与试验结果一致。     

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。     

熔盐环境下热障涂层的等温热腐蚀行为研究

采用电子束物理气相沉积（EB-PVD）在镍基高温合金表面制备了YSZ/NiCoCrAlY双层结构热障涂层,研究了其在熔盐环境下的等温热腐蚀行为。结果表明,涂层在加热过程中发生相变引起体积收缩,导致涂层内部产生微裂纹。熔盐填充涂层内微裂纹和柱状晶间隙,降低了涂层的应变容限,引起涂层内应力升高。同时,熔盐促使热生长氧化层（TGO）碱性溶解,产生疏松多孔的氧化物层,导致TGO层加速增厚。在热应力作用下,疏松层氧化物破碎,最终导致涂层剥落。     

未来航空发动机热障涂层材料及制备技术

概述了未来航空发动机热障涂层最有前景的新材料、结构和制备工艺。新材料主要有改进型氧化钇稳定的氧化锆、A2B2O7型材料;新结构主要有双陶瓷层;新工艺主要为制备含垂直裂纹的热障涂层的改进大气等离子体喷涂、等离子喷涂-物理气相沉积、悬浮液等离子喷涂、电子束直接气相沉积。这些相互结合,必将促进高性能热障涂层的快速发展和应用,使其在未来航空发动机中发挥重要作用。     

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。     

航空发动机热障涂层的CMAS腐蚀与防护研究进展

热障涂层（TBCs）广泛应用于先进航空发动机热端部件,可以有效提高发动机的工作效率和服役温度。随着发动机涡轮前进口温度不断提高以及工业生产和人类活动愈加频繁,TBCs面临严峻的CMAS腐蚀问题。目前CMAS腐蚀已经成为制约TBCs应用和发展的关键因素,如何提高TBCs的CMAS防护能力是TBCs领域的研究热点和难点。针对此问题,对不同类型CMAS的室温和高温特性进行总结,深入分析CMAS作用下TBCs的失效机制,总结TBCs的CMAS防护方法,综述TBCs的CMAS腐蚀与防护研究进展。结果表明,不同CMAS（如火山灰、沙石和灰尘等）的化学成分（质量分数）差异明显,影响了其高温黏度和熔化行为;高温下熔融CMAS渗入到涂层内部并与之发生化学反应,破坏了涂层的结构和性能稳定性,造成涂层失效;提出了增加惰性防护层、YSZ材料掺杂改性和研发新材料等方法,以提高TBCs的CMAS防护能力。最后对未来的CMAS防护新方法进行展望,对超高温长寿命TBCs的研制提供理论支撑。     

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。