多功能复合陶瓷涂层的组织与性能研究

本工作试验研究了用于机械,尤其是石油化工机械中的具有耐磨、耐蚀和耐热等多功能的陶瓷涂层。以氧化铬为研究对象,采用等离子喷涂技术,研究解决热喷涂陶瓷涂层中的三个主要问题,即涂层中的残余应力、微孔洞和层间界面的弱结合。为此,系统研究了喷涂工艺参数波动、涂层结构和添加剂对氧化铬陶瓷涂层组织和性能的影响及其相互关系;涂层的热震、磨损和腐蚀失效规律和机制;建立了陶瓷涂层抗热震失效寿命的表达式。结果表明,影响涂层性能最重要的工艺参数为电弧电流,其次为涂层厚度。从基体到陶瓷层,通过涂层成分逐渐变化可以制备梯度涂层,并且多层复合涂层的综合性能优于双层涂层,其中,四层阶梯复合涂层的综合性能最佳,其次是五层梯度涂层。在氧化铬材料中,加入3.0％氧化铈,可降低涂层中的孔隙率和孔洞尺寸,从而提高氧化铬涂层的综合性能;陶瓷涂层热震失效的本质为热疲劳失效。在滑动磨损条件下,涂层的磨损失效主要是循环接触应力导致的疲劳磨损。涂层的腐蚀失效是陶瓷层自身的化学腐蚀和粘结结层/基体界面的电化学腐蚀。试验结果证实了涂层热震失效寿命定量表达式的有效性和适用性。首先提出并定义的临界热震温差范围可作为评价涂层抗热冲击性能的指标和使用依据。     

等离子喷涂BSAS环境障涂层性能研究

采用等离子喷涂工艺在SiC陶瓷表面制备了BSAS环境障涂层,分析研究了环境障涂层的微观结构、结合强度、长期抗氧化性能、抗热震性能和抗高温水氧腐蚀性能。结果表明:BSAS环境障涂层的结合强度为29 MPa,内部结构均匀,无贯穿裂纹和连通气孔;涂层热震30次开始有微裂纹,热震50次后出现贯穿裂纹失效;涂层于空气中1 200℃/200 h氧化后增重0.24%,内部氧化不明显;在1 atm、1 200℃、50%H_2O-50%O_2、0.4 m/s高温水氧环境中腐蚀150 h后,涂层保护试样失重0.87 mg/cm2,涂层表面腐蚀厚度小于10μm,无涂层保护的试样失重3.4 mg/cm~2。     

高温氧化及热震对SiC/ZrB2-SiC/SiC涂层炭/炭复合材料力学行为的影响

为提高炭/炭(C/C)复合材料的高温抗氧化性能,同时分析涂层制备及高温氧化对涂层材料力学行为的影响,在C/C复合材料表面采用反应熔渗、料浆涂刷结合化学气相沉积工艺制备了SiC/ZrB2-SiC/SiC三层高温抗氧化涂层。利用SEM和XRD分析复合涂层的微观结构和相组成,考察涂层复合材料1500℃高温抗氧化和1500℃-室温的抗热震性能,研究高温氧化及热震对涂层C/C复合材料力学行为的影响。结果表明,复合涂层试样1500℃静态空气环境下具有优异的抗氧化及抗热震性能:1500℃氧化20 h后试样保持增重,1500℃至室温热震50次后增重为0.69%。因涂层制备过程中粉料的渗入反应,复合材料弯曲强度增长了7.08%。在经历1500℃氧化20 h和1500℃至室温50次热震后,涂层复合材料弯曲强度有所下降,且因材料界面结合力的减弱使得纤维拔出特征明显,材料塑性断裂特征增强。     

铝基体化学镀镍对热障涂层抗热震性影响研究

研究了铝基体化学镀镍对热障涂层抗热震性能影响，结果表明，结构相同的热障涂层，基体经化学镀镍后涂层抗热震性由原来的35次剥落失效增长到200次无明显变化，这主要是因为化学镀镍层有效减缓了热障涂层和铝基体界面位置的热应力，并大幅度提高了基体的抗氧化能力，同时热震过程中镀镍层两侧界面位置的元素扩散提高了界面结合力，涂层抗热震性提高。     

低压化学气相沉积MoSi2涂层微观结构及氧化性能

为了防止Mo合金的高温氧化,本研究采用低压化学气相沉积技术在Mo合金表面制备MoSi2抗氧化涂层,借助X射线衍射仪、扫描电镜及能谱仪等分析手段,对涂层的微观结构进行了研究,测试了涂层的抗氧化和抗热震性.结果表明:MoSi2涂层结构致密,仅有少量微裂纹存在,表现出良好的抗热震和抗氧化性能;经20次1300℃-室温循环热震实验后,涂层未出现开裂与脱落现象;涂层试样在1300℃氧化气氛下氧化180 h,失重率小于0.83%,分析揭示了涂层试样氧化失重的主要原因为氧扩散通过涂层与Mo基体发生反应,生成极易挥发的MoO、MoO2、MoO3,氧在涂层中的扩散速率决定了涂层的失重速率.     

去应力退火对等离子喷涂ZrO2-NiCoCrAlY热障涂层热震性能的影响

研究了等离子喷涂ZrO2-NiCoCrA1Y不同结构热障涂层的硬度分布800℃和1000℃温度下的热震性能。并进一步研究了去应力退火对涂层热震性能的影响。结果表明,与非梯度涂层相比,梯度涂层具有较平缓的硬度分布,不存在金属与陶瓷层界面间的硬度突变。热循环温度增加,使抗热震性能降低,但梯度涂层在两种温度下均具有较高的抗热震性。去应力退火处理较显著地提高了涂层的抗震性。     

Cf/SiC复合材料表面抗氧化涂层研究进展EI北大核心

Cf/SiC复合材料因其低密度,高比强度,优异的抗热震、抗氧化和抗烧蚀性能以及高温强度保持率,被认为是高速飞行器的重要热防护材料之一。然而,由于碳纤维在500℃以上发生显著氧化导致材料逐渐失效,因此需对其进行有效的氧化防护。抗氧化涂层被认为是实现Cf/SiC复合材料长时氧化防护的有效手段。本文基于热防护系统对Cf/SiC复合材料抗氧化性能的苛刻要求,综述了现有Cf/SiC复合材料表面抗氧化涂层的研究进展,着重对抗氧化涂层制备技术及涂层体系进行了梳理。提升Cf/SiC复合材料抗氧化涂层使用温度(≥1800℃)及结合强度是当前需要重点解决的问题,制备更长服役时间、更高服役温度同时兼具抗氧化、抗水蒸气腐蚀乃至较好隔热性能的多功能涂层是未来发展的重要方向。     

改性元素对镍基合金表面铝化物涂层组织和性能的影响

单一铝化物涂层存在抗高温氧化性能及抗高温热腐蚀性能不足等问题，添加改性元素可以改变铝化物涂层的组织成分，添加改性元素通过影响氧化膜的转变与脱落、铝元素和氧元素的扩散，从而影响涂层的抗氧化性以及抗热腐蚀性能，改变涂层的力学性能。梳理了近年来有关改性元素对铝化物涂层的组织结构、抗氧化性能、抗热腐蚀性能以及力学性能的影响的相关研究，展望了未来镍基合金上改性铝化物涂层的发展方向。     

纳米ZrO2热障涂层热震性能研究

为了研究纳米热障涂层的热震性能,采用等离子喷涂工艺制备了纳米Y2O3-ZrO2(YSZ)热障涂层,并测试了涂层的热震性能.借助扫描电镜和X射线衍射等手段分析了涂层的物相构成和组织结构.结果表明,涂层中保留未完全熔融的小尺寸颗粒,且存在大量的孔径＜1 μm的微孔,该结构对提高涂层的热震性能极为有利.纳米涂层抗热震性能显著优于常规热障涂层,从室温至1 000℃,经800次热循环,涂层无明显的脱落现象.     

纳米Si3N4和喂料等离子处理对等离子喷涂Al2O3-YSZ涂层抗热震性能的影响

Si3N4可以提高Al2O3-ZrO2涂层的力学性能和抗氧化性能,但其对Al2O3-YSZ(Y2O3部分稳定的ZrO2)抗热震性能的影响未见报道.采用等离子喷涂的方法在304不锈钢表面制备了Al2O3-YSZ涂层.在喂料制备过程中加入纳米Si3N4,然后对添加和未添加纳米Si3N4的喂料进行等离子处理,研究纳米Si3N4和喂料等离子处理对涂层在800℃和1 000℃下抗热震性能的影响.采用扫描电子显微镜和X射线衍射仪分析了涂层热震试验前后的形貌及物相的变化.结果表明:喂料添加纳米Si3N4和等离子处理的综合作用显著地提高了涂层的抗热震性能;与喂料未添加纳米Si3N4且未经等离子处理的涂层相比,喂料添加纳米Si3N4且经等离子处理的涂层在800℃和1 000℃条件下的抗热震寿命分别提高了0.7倍和1.1倍;热震过程中涂层发生了α-Al2O3到γ-Al2O3的相变;在1 000℃下热震,涂层中形成了较宽的裂纹,涂层抗热震性能明显下降.