EB-PVD热障涂层热循环过程中粘结层的氧化和相结构

采用磁控溅射方法在镍基单晶高温合金基体上沉积Ni-30Cr-12Al-0.3Y（质量分数，％）粘结层，采用电子束物理气相沉积方法（EB－VPD）沉积7％Y2O3（质量分数）－ZrO2陶瓷顶层，结果表明，在热循环过程中，非平衡相t′-ZrO2中的Y2O3含量逐渐减少，t′－ZrO2相逐渐分解成平衡相t-ZrO2（冷却时变转变成斜相）和立方组ZrO2,1050℃循环200次，粘结层氧化物（Al2O3)厚度约为3μm，表明Ni-Cr-Al-Y达宜作粘结层，继续热循环，陶瓷层中出现单斜阳，粘结层中Al贫化，氧化层中出现NiO及尖晶石等，引起应力集中，导致涂层失效。     

EB-PVD工艺中粘结层厚度对热障涂层寿命的影响

采用电子束物理气相沉积技术在高温合金基体上制备不同粘结层厚度的YSZ热障涂层试样来分析粘结层厚度对热障涂层体系寿命的影响。对试样进行循环氧化试验以及热重分析来测试试样的热循环寿命和抗氧化性能。分别采用XRD、SEM和EDS对不同状态下的涂层进行相组成、微观形貌和成分组成分析。结果显示:热障涂层体系有明显的抗氧化作用,且抗氧化作用随着粘结层厚度的增加逐渐增强;粘结层的厚度对涂层体系的寿命影响显著,在特定的厚度范围内,涂层体系热循环寿命较长。综合各方面影响因素,得出本试验条件下粘结层厚度最优范围为50～70μm。     

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。     

PS-PVD制备粘结层及其对热障涂层性能的影响

目的探究真空热处理对PS-PVD制备的粘结层的影响,并研究PS-PVD制备粘结层对热障涂层性能的影响。方法采用PS-PVD技术在高温合金基体上制备不同材料体系的粘结层和陶瓷层,采用真空热处理和高温氧化试验,对粘结层与基体界面间的元素扩散过程以及不同材料粘结层对热障涂层抗氧化性能的影响进行研究,并通过X射线衍射和EDS能谱对涂层的物相及元素分布进行分析。结果通过PS-PVD制备的不同粘结层体系的热障涂层试样,在近粘结层处的陶瓷层物相组成并无明显区别。粘结层与基体的元素扩散情况受真空热处理时间和温度的影响,随着真空热处理时间的延长,基体一侧的富铝相逐渐增多。当热处理8 h后,形成的扩散区的宽度已超过20μm;随着热处理温度的提高,同样也形成了更宽的扩散区。NiCoCrAlYTa/7YSZ热障涂层氧化100h后,TGO层的厚度达到4.0μm,氧化150h时,涂层发生脱离。NiCrAlY/7YSZ热障涂层氧化150 h后,TGO层的厚度达到4.4μm,但未出现脱离现象。结论热处理的时间越长,温度越高,粘结层与基体的元素扩散行为越剧烈。不同的粘结层材料会影响热障涂层的氧化动力学过程。     

超音速火焰喷涂MCrAlY粘结层对热障涂层热震性能的影响

分别采用超音速火焰喷涂技术(HVOF)和等离子喷涂技术(APS)在高温合金GH99上制备MCrAIY粘结层(BC),对比研究了HVOF和APS喷涂BC对热障涂层(TBC)热震性能的影响.结果表明:APS喷涂BC界面不平整,起伏较大,而HVOF喷涂BC界面较为平整.经200次热循环后,APS喷涂TBC部分陶瓷层(TC)出现剥落,而HVOF喷涂TBC仅出现细小的微裂纹,生成的热生长氧化物(TGO)比较厚.APS喷涂TBC经过350次热循环后,涂层出现大面积剥离现象.而HVOF热障涂层直到热震430次后,才出现涂层剥落现象.拉曼光谱(RFS)残余应力分析表明,HVOF热障涂层残余应力随热循环次数的增加而增大,热震350次后APS热障涂层残余应力为650MPa,而HVOF热障涂层热震400次后其应力值仅为571 MPa.可知,HVOF显著地提高了TBC的热震性能.     

粘结层中Cr对热障涂层界面结合因子的影响

结合固体与分子经验电子理论(EET)和改进的TFD理论,计算了在不同粘结层Cr含量下热障涂层的陶瓷层/粘结层界面的界面结合因子,以预测Cr对该界面结合的影响.结果表明,当粘结层的取向为(111)和(100)时,加Cr可以改善该界面的界面结合.当粘结层取向为(110)、Cr含量低于10%(质量分数)时,Cr可以改善该界面的结合;Cr含量高于10%(质量分数)时,Cr将破坏该界面的结合.因此在目前工艺条件控制织构比较困难的情况下,从界面结合考虑,Ni基粘结层含Cr量应尽量降低.该结果可作为粘结层成分设计的依据.     

真空热处理对APS-NiCoCrAlY+APS-YSZ热障涂层热循环寿命的影响

通过大气等离子喷涂在HA188合金基材上制备NiCoCrAlY+YSZ热障涂层,然后分别对试样在高真空和低真空中进行1080 ℃的热处理。通过在1100 ℃对热处理前后的热障涂层进行热循环考核,并在具备EDS的扫描电镜下分析了热循环前后的显微组织和成分。结果表明,真空热处理显著提高了APS-NiCoCrAlY+APS-YSZ热障涂层的热循环寿命,一方面是由于真空热处理后在APS-NiCoCrAlY/APS-YSZ界面上形成连续的TGO层受到了抑制,降低了由TGO产生的应力开裂,另一方面真空热处理后的涂层热循环时在APS-NiCoCrAlY的内部产生了更多的氧化物,在一定程度上降低了APS-NiCoCrAlY的热膨胀系数,减少了由APS-NiCoCrAlY/APS-YSZ热膨胀系数不匹配造成的应力开裂。并且低真空热处理的涂层内部失效裂纹没有像高真空热处理的涂层那样均匀连续扩展。     

热障涂层陶瓷层/TGO界面开裂行为的有限元模拟

目的更好地理解热障涂层在热循环条件下的失效行为。方法采用有限元方法引入了内聚力模型,研究热障涂层在多次热循环条件下的界面开裂行为,并且考虑了陶瓷层厚度和粘结层厚度对界面开裂行为的影响。结果涂层最先在陶瓷层/TGO层界面的波峰与波谷之间开裂,此外在界面波谷处也存在开裂现象。当陶瓷层厚度在300~500μm范围内,界面裂纹的平均长度随陶瓷层增厚而增长,裂纹密度也随之增加。粘结层厚度为50μm时,界面裂纹的平均长度为15μm;当厚度增加到100μm时,界面裂纹平均长度减少到10μm;而厚度为150μm时,界面裂纹平均长度又提高至12μm。当粘结层与陶瓷层厚度比在0.2~0.4的范围内时,陶瓷层/TGO层界面上的最大拉应力最小。结论陶瓷层厚度和粘结层厚度对热障涂层界面开裂行为的影响极大,小厚度陶瓷层以及当粘结层与陶瓷层厚度比在0.2~0.4的范围内时,热障涂层具有更好的抗界面开裂能力。粘结层厚度不宜过大,超过一定厚度时反而会降低涂层的抗界面开裂能力。计算结果与文献报道的结果相近,证明了模拟结果的准确性。     

ZrO2陶瓷热障涂层的研究

用等离子涂技术制备了ＺｒＯ２结构梯度和成份梯度涂层,并试验测定了各涂层的隔热效果及抗热震性,涂层试片在２．５Ｍａ、１８００℃、５８００ＫＷ／ｍ＾２的热流冲刷５ｓ后,结果表明：涂层表面仍较光滑,与烧蚀前无明显差别,更无剥落,崩裂出更,平均每毫米隔热涂层降温约４０２．２℃。     

热障涂层隔热性能测试方法分析

分别利用4种不同的隔热性能测试方法,对氧乙炔火焰喷涂工艺制备的ZrO2陶瓷热障涂层的隔热性能进行了测试,通过红外测温仪和热电偶连接温度记录仪两种不同方式,测试试样金属基体温度,获得4组不同涂层厚度试样金属基体的温度变化曲线,并结合陶瓷涂层的服役工况对测试结果进行了分析,结果表明,测试方法不同,隔热性能测试所得数据也有所差异,但这4种测试方法均可不同程度的反映热障涂层的隔热效果及变化趋势,在接近实际服役工况条件下,可定性评估涂层隔热性能。     

新型热障涂层用陶瓷材料及涂层性能计算机数值模拟研究进展

随着先进涡轮发动机性能的进一步提升,寻求低热导率、高热膨胀系数的新型陶瓷材料已经成为热障涂层领域的研究热点。计算机数值模拟在新型陶瓷及其涂层性能研究方面发挥了重要作用。综述了新型热障涂层陶瓷材料相结构、热物理性能、力学性能和对应涂层隔热性能、涂层有效热导率及涂层热应力等几个方面国内外计算机数值模拟研究成果,并指出了以上几个方面计算机数值计算研究存的不足。未来材料物理性能计算应当多研究元素掺杂及新材料相结构随温度和压力的变化关系,开发新的数学模型提高热导率、热膨胀系数及各种力学性能参数的计算精度。涂层的隔热性能和有效热导率方面应当进一步系统化,将各种涂层结构、涂层显微组织、材料组成及导热方式的影响考虑在内,开发新的计算方法并提高计算精度;涂层的冲击和残余热应力计算中未引入基体条件(材质、尺寸、粗糙度、温度)、涂层结构、界面形貌、涂层缺陷、单层厚度、服役环境等方面的影响,并应注重与实验结果进行对比。     

热障陶瓷涂层材料对柴油机活塞的影响

目的研究不同陶瓷材料对活塞温度和热应力的影响。方法以氧化镁-部分稳定氧化锆陶瓷(Mg-PSZ)和氧化钇-部分稳定氧化锆陶瓷(Y-PSZ)两种材料为研究对象,在硅铝合金活塞顶部分别喷涂Mg-PSZ和Y-PSZ等离子体,分析讨论了两种不同涂层材料对活塞温度场和热应力场的影响,对比分析了有无陶瓷涂层活塞温度场和热应力场的变化。结果和无涂层活塞相比,Mg-PSZ涂层活塞和Y-PSZ涂层活塞的表面温度明显升高,其表面最高温度分别升高了50.49%和34.81%,但是对应的基体最高温度却分别下降了28.49%和17.34%。同时还发现,Mg-PSZ涂层活塞和Y-PSZ涂层活塞具有相同的温度和热应力分布,并且其活塞基体和无涂层活塞也具有相同的温度和热应力分布。结论 Mg-PSZ涂层活塞和Y-PSZ涂层活塞都会导致活塞表面温度升高,应力增大,但是Y-PSZ对基体温度影响更大,Mg-PSZ对热应力影响更大。     

热喷涂热障涂层孔隙与涂层性能关系研究进展

孔隙在热障涂层中较为常见,孔隙对热障涂层的性能有利有弊。对热障涂层陶瓷层中孔隙的形成机理进行了综合分析,总结了热障涂层孔隙结构的调控方法,讨论了孔隙结构特征对热障涂层隔热性能和力学性能的影响。孔隙结构的引入将引起力学性能的下降,同时降低热障涂层的热导率,提高隔热效果。孔隙结构特征参数包括孔隙形状、孔隙间距、孔隙倾斜角、孔隙高宽比等,其中孔隙的倾斜角和高宽比对涂层导热性能的影响尤为重要,是孔隙结构的关键特征参数。通过原始粉末孔隙结构的保留、造孔剂(有机造孔剂、无机造孔剂)的搭配造孔、制备工艺(临界等离子喷涂参数、粒子扁平率等)的调节以及后续的孔隙处理,可实现热障涂层孔隙结构的调控。在实际应用过程中应同时兼顾力学性能和隔热性能,最重要的是保证热障涂层的有效寿命,需要综合考虑力学性能与导热性能的匹配。通过热障涂层孔隙结构特征的设计及分布控制,可实现孔隙结构高性能、高可靠性热障涂层的制备。     

粘结层成分对单晶合金热障涂层寿命影响研究

采用电子束物理气相沉积工艺(EB-PVD)制备了针对第二代单晶高温合金的热障涂层,用SEM观察分析了不同成分粘结层的热障涂层热循环试验后的结构和晶体形貌,在N2条件下对比了不同成分粘结层材料与第二代单晶高温合金的热膨胀系数,分析了热循环试验后粘结层与热生长氧化(TGO)层成分、厚度及完整性情况。结果表明:NiCoCrAlYHf与第二代单晶高温合金热膨胀系数更为接近,匹配性更好;采用EB-PVD工艺制备的热障涂层在热循环试验过程中会产生大量垂直裂纹使涂层具有良好的应变容限;粘结层中Al元素含量的提高以及Hf等元素的加入,使得热循环试验后涂层TGO层的Al2O3纯度较高、生长缓慢无块状物生成,并且极大地改善了粘结层和合金基体的内氧化,涂层1 100℃循环氧化寿命达到1 200 h以上。     

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。     

Recent Developments in the Field of Thermal Barrier Coatings

Conventional thermal barrier coating (TBC) systems consist of a duplex structure with a metallic bondcoat and a ceramic, heat-isolative topcoat. Several recent research activities are concentrating on developing improved bondcoat or topcoat materials; for the topcoat especially, those with reduced thermal conductivity are investigated. Using advanced topcoat materials, the ceramic coating can be further divided into layers with different functions. One example is the double-layer system in which conventional yttria-stabilized zirconia (YSZ) is used as bottom and new materials such as pyrochlores or perovskites are used as topcoat layers. These systems demonstrated an improved temperature capability compared to standard YSZ. In addition, new functions are introduced within the TBCs. These can be sensorial properties that can be used for an improved temperature control or even for monitoring remaining lifetime. Further increased application temperatures will also lead to efforts for a further improvement of the reflectivity of the coatings to reduce the radiative heat transfer through the TBC.     

纳米氧化锆基热障烧蚀复合涂层的制备与研究

在纳米ZrO2中加入适量低熔点无机烧蚀材料SiO2和Cu,利用大气等离子喷(APS)技术,在TC4基体上制备出一种复合防热涂层.应用等离子火炬对涂层进行模拟烧蚀防热试验,运用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、电子探针(EPMA)等测试方法对粉末及涂层烧蚀前后的物相组成、显微结构和成分分布进行了观察和确定.研究结果表明,复合涂层表层烧蚀防热作用明显,内部仅出现液化现象,总体上涂层防热性能仍优于单一PYSZ涂层.涂层平均结合强度为47.7MPa.     

不同厚度8YSZ热障涂层的结构及性能表征

目的探究厚度变化对8YSZ热障涂层结构、力学性能以及抗热震性能的影响。方法通过超音速火焰喷涂技术(HVOF)和大气等离子喷涂技术(APS)分别制备了Ni CoCrAlTaY粘结层和厚度为500μm、1.0mm、1.5mm的8YSZ陶瓷涂层,采用扫描电子显微镜(SEM)、光学显微镜和X射线衍射仪(XRD)对喷涂粉末和涂层的形貌、物相进行了表征,借助显微硬度计和万能材料试验机分别考察了涂层的硬度和结合强度,最后采用水淬法对涂层的抗热震性能进行了测试。结果不同厚度的8YSZ涂层均由非平衡的四方相(t′-YSZ)组成,且断面呈现出明显的层状结构。随着厚度的增加,涂层中逐渐产生了明显的网状纵向裂纹和边缘界面裂纹。涂层的表面和截面显微硬度都不随厚度的增加而发生显著变化,并且所制备的涂层在整个截面上的显微硬度都比较均匀。涂层的结合强度随着涂层厚度的增加而显著降低。热震试验过程中,三种厚度涂层皆以界面开裂的形式失效,且厚度越大的涂层热震寿命越短。结论 8YSZ热障涂层的厚度变化对其微观形貌、结合强度以及抗热震性能皆有显著影响,而对涂层的物相组成以及显微硬度无明显影响。