等离子喷涂纳米ZrO_2-8%Y_2O_3涂层的结构及性能

热障涂层能提高工件的性能,延长其使用寿命,但目前对其厚度0.5 mm以上的研究报道不多.为此,以纳米ZrO2-8%(质量分数)Y2O3粉末(YSZ)为原料,用等离子体喷涂法制备了3种厚度(0.6,0.8,1.2 mm)的热障涂层,并对涂层的结构和性能进行了研究.结果表明:纳米涂层主要由未熔粉末及周围的柱状晶、等轴晶组成,可观察到大量纳米晶,喷涂电流对组织结构的影响远大于喷涂距离;热障涂层结合强度随涂层厚度的增加而降低;涂层隔热性能随涂层厚度的增加而提高,温度越高优势越明显.     

等离子喷涂纳米结构与传统结构热障涂层的残余应力对比研究

热障涂层的残余应力是影响其服役寿研究不多.在45钢基体上,用超音速火焰喷涂NiCocrAlY打底层,再用大气等离子喷涂ZrO2-8%(质量分数)Y2O3(8YSZ)工作层,制备了纳米结构与传统结构2种类型的热障涂层(TBC).采用SEM、XRD对这2种涂层的粉末及涂层进行了组织结构分析,用纳米压痕仪测得了2种涂层的弹性模量.用X射线衍射应力测试仪测得了2种涂层的表层残余应力.结果表明:喷涂工艺参数相同条件下,对于打底层及工作层的厚度均相同的2种涂层,纳米结构热障涂层的表层残余应力比传统结构热障涂层约低24.7%;相同打底层的纳米结构热障涂层表层残余应力随着陶瓷层厚度增加而增加,陶瓷层厚度在240 um以下时,表层为残余压应力;厚度超过300 um时,表层为残余拉应力.最后提出了相应的物理力学模型.     

45钢表面大气等离子喷涂氧化钇部分稳定氧化锆热障涂层及其性能

为了制备高性能热障涂层,缩短国内外差距,在45钢表面大气等离子喷涂氧化钇部分稳定的氧化锆(YSZ)热障涂层。利用X射线衍射和扫描电镜分析YSZ涂层的相结构和微观形貌,分别测定了YSZ涂层的孔隙率、热导率、显微硬度、结合强度及隔热性能。结果表明:YSZ涂层的孔隙率、隔热温差随喷涂电压增大而减小,随喷涂距离的增加而增大;维氏硬度、结合强度和热导率随喷涂电压增大而增大,随喷涂距离增加而减小;当喷涂电压为80 V,喷涂距离为100 mm时,YSZ热障涂层的结合强度为36.78 MPa,热导率为0.705 W/(m·K),具有较好的隔热性能。     

涂层基体条件对梯度涂层残余应力影响研究

采用有限元法，对结构一定的Al/Ni-ZrO2梯度涂层在基体条件改变时涂层的残余应力进行了分析，结果表明，基体材料的热膨胀系数对涂层的残余应力有显著的影响，对于基体为圆柱形的涂层，其基体与涂层界面的残余应力梯度，最大轴向拉应力均随热膨胀系数的增大而线性增大，表面纯陶瓷层与次层界面残余应力梯度则随之减小，增大基体的直径和厚度，可缓和涂层残余应力，并在基体直径为36mm,厚度为20mm时各残余应力基本稳定。     

SiC纤维/YSZ复合热障厚涂层韧性及热震性能研究

采用大气等离子喷涂(APS)技术, 以ZrO₂-8wt%Y₂O₃(8YSZ)和团聚的P7216(8YSZ和珍珠岩粉)粉末为原料, 在基体上制备了厚度大于4 mm的SiC纤维/YSZ(SFY)复合厚热障涂层, 通过扫描电子显微镜(SEM)分析了涂层的显微结构, 发现SFY涂层具有钢筋混凝土结构, 这种结构能够防止因为涂层厚度增加而引起的失效。此外, 基于计算机的断层成像技术分析热障涂层孔隙率的变化, 考察了SFY涂层和YSZ 热障涂层的抗热震性能、断裂韧性以及热导率性能, 并探讨了纤维的增韧机制。研究结果表明, SFY涂层具有更高的断裂韧性值和更好的抗热震性能, 25℃时SFY涂层的热导率为0.632 W/(m·K), 大约是传统YSZ热障涂层热导率的一半。SiC纤维对涂层内部裂纹的偏转和截止作用, 防止了裂纹扩散长大, 形成网状微裂纹结构, 有效提高了涂层的抗热震性能和断裂韧性。     

8YSZ-Al2O3复合热障涂层研究进展

热障涂层可以为航空发动机等高温部件提供热防护,对延长其使用寿命具有重要意义.近年来高温部件的使用温度不断提升,对热障涂层的耐温性也提出了更高的要求.长时间高温热循环后,常规热障涂层容易出现开裂、剥落等失效行为,直接影响航空发动机的安全性和可靠性.8YSZ作为经典的热障涂层材料,具有优异的抗热震和隔热性能.但8YSZ致密度较低,涂层中存在较多的空隙和缺陷,其高温抗氧化和耐高温熔盐腐蚀等性能仍有较大的改进空间.而Al2 O3作为常用的陶瓷涂层材料,致密度高、力学性能出色,但过小的热膨胀系数使其无法单独用作热障涂层材料.通过对比可以发现,8YSZ和Al2 O3的性能具有较好的互补性.基于8YSZ和Al2 O3各自的性能优势,研究者们开始将Al2 O3引入8YSZ制备8YSZ-Al2 O3复合涂层,探索将复合涂层用作热障涂层的可行性.研究发现,Al2 O3的加入使8YSZ-Al2 O3复合涂层中产生无定形相,无定形相的含量、重结晶与其耐温性能紧密相关.随着Al2 O3含量的增加,复合涂层的微观结构变得更加致密,其杨氏模量和硬度等力学性能也呈增加趋势.引入Al2 O3可以有效调节8YSZ涂层的微观结构和力学性能.受此影响,复合涂层的抗氧化和耐熔盐腐蚀等性能有较为明显的提高,但其抗热循环性能仍需进一步优化.本文按照复合涂层微观结构与力学性能调控、制备工艺与结构优化和高温应用的顺序重点介绍了8YSZ-Al2 O3复合涂层的研究现状,阐述了其相对传统8YSZ涂层的主要优点及不足,并简要展望了未来发展趋势.     

圆柱基体热障涂层热冲击下失效的瞬态应力分析

用等离子喷涂方法在合金圆柱体上制备了热障涂层,并用水冷的方法进行了热冲击实验,试样的失效现象为轴向的开裂和剥落.利用有限元分析工具对热障涂层的热冲击进行模拟,通过对涂层内部应力随时间分布的分析发现:热冲击过程中陶瓷层表面的周向应力随着时间由拉转变为压,冷却初期陶瓷层的周向拉应力值较大,超过了陶瓷层的抗拉强度,因而淬冷初期的周向应力是导致轴向裂纹萌发的主要原因;陶瓷层与粘结层接触面上的径向拉应力与粘结层的氧化生长引起界面开裂;轴向裂纹和界面开裂共同导致陶瓷层的剥落.     

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.     

沉积入射角度对热障涂层形貌和性能的影响

采用真空电弧镀（ARC）技术在DZ125合金基体上制备NiCrAlYSi(HY3)金属粘结层,然后采用电子束物理气相沉积（EB-PVD）技术,分别以0°、20°、40°、60°和80°五种入射角度沉积氧化钇稳定氧化锆（6～8YSZ）陶瓷涂层,研究了入射角度对涂层形貌和性能的影响。结果表明：五种入射角度的热障涂层均能形成柱状晶结构,随着入射角度增加,孔隙率和柱状晶倾斜角度均逐渐增加,涂层厚度逐渐减小;对带涂层试样进行结合强度测试,入射角度0°～40°时涂层的结合强度均在55MPa以上,入射角度增加到80°时,结合强度降低到15.7MPa;热冲击条件下,陶瓷面层和基体之间形成TGO,由于不同入射角度下涂层孔隙率不同,TGO生长速度不一致,导致其热冲击寿命存在明显差异,入射角度为0°～40°时涂层的热冲击寿命均超过4000次,入射角度为60°时涂层的热冲击寿命为3371次,入射角度为80°时涂层的热冲击寿命最短,仅为1836次。     

等离子喷涂用Y2O3稳定ZrO2空心球形粉末制备技术及涂层性能的研究现状

原始粉末是影响等离子喷涂热障涂层组织结构和性能的主要因素之一。Y_2O_3稳定ZrO_2(Yttria stabilized zirconia,YSZ)空心球形粉末综合了熔融破碎粉末的预合金化效果好和团聚烧结粉末的流动性好的优点。采用该粉末制备的YSZ热障涂层的隔热性能、抗热震性能以及抗烧结性能等均显著提高,是目前综合性能最为优异的热障涂层之一。结合国内外研究情况,文章主要介绍了喷雾干燥法、等离子球化法以及模板法制备等离子喷涂用YSZ空心球形粉末的原理和优缺点;同时,对等离子喷涂过程中YSZ空心球形粉末熔滴的飞行特性、铺展凝固行为以及YSZ空心球形粉末制备涂层组织结构及性能的研究进行了概述;最后,指出了目前研究中存在的问题并对其未来的研究方向进行了展望。     

EB-PVD制备热障涂层的反射光谱特性研究

为了研究航空发动机中涡轮叶片表面的热障涂层对辐射光谱的反射特性,本文使用真空电弧镀法在不锈钢基体上分别制备了NiCrAlYSi和NiCoCrAlYHf两种热障涂层的粘结层,并随后使用电子束物理气相沉积(EB-PVD)法制备了ZrO_2·Y_2O_3(YSZ)热障涂层的陶瓷面层,最后利用紫外-可见-近红外分光光度计测定了常温下热障涂层在0.3μm～2.5μm波段的反射率光谱并进行了分析研究。结果表明:金属粘结层和陶瓷面层厚度均相同时,不同的粘结层材料对热障涂层的光谱反射率影响不大,整个波段内NiCrAlYSi/YSZ和NiCoCrAlYHf/YSZ涂层的光谱反射率接近。当粘结层NiCrAlYSi的厚度相同,面层YSZ的厚度分别为20μm、100μm、170μm三种不同厚度时,热障涂层的光谱反射率表现出不同的特性,在0.3μm～0.45μm波段,厚度为20μm的YSZ的试样因表面呈蓝紫色反射紫光能力最强,而灰白色的其他两个试样反射紫光能力接近;在0.45μm～2.5μm波段,YSZ涂层厚度与光谱反射率正相关,涂层厚度越厚光谱反射率越高。通过调整电子束物理气相沉积工艺制备了YSZ微叠层,与相同厚度的传统柱状晶的YSZ相比,YSZ微叠层的光谱反射率提高了约一倍。     

高温热处理对等离子体喷涂的纳米氧化锆热障涂层的影响

热障涂层已广泛用于燃气发动机燃烧室等高温零部件上。纳米热障涂层韧性改善,厚度可以增加,能够提高零部件使用温度和使用寿命。首先利用低压等离子体在镍基体上喷涂制备NiCoCrAlYTa金属中间结合层和大气等离子体喷涂制备Y_2O_3部分稳定的ZrO_2纳米陶瓷面层,然后将纳米氧化锆热障涂层样品在大气中于1050～1250℃温度范围内煅烧处理2～20h。通过扫描电镜和X射线衍射仪分析纳米氧化锆热障涂层高温煅烧前后的组织结构变化和相组成变化,并与常规微米氧化锆热障涂层进行比较。研究结果表明:经高温煅烧后,纳米氧化锆热障涂层中晶粒大小和在陶瓷面层/金属中间结合层界面上形成的TGO的厚度随煅烧温度升高和时间的延长而增大;纳米热障涂层中TGO的增长速度比常规微米热障涂层快;纳米热障涂层经高温煅烧空气中冷却后,主要由四方相组成;与常规微米热障涂层的相组成比较,纳米氧化锆热障涂层中的四方相为低稳定剂四方相。     

H_2对等离子喷涂-物理气相沉积热障涂层的结构和抗冲刷性能的影响

改变用等离子喷涂-物理气相沉积(PS-PVD)工艺制备热障涂层时等离子工作气体中H2组分的流量,制备出不同的ZrO_2-7%Y_2O_3(7YSZ)热障涂层并研究了H_2对PS-PVD热障涂层的影响。结果表明:等离子工作气体中的H_2对PS-PVD热障涂层的表面形貌、微观结构、孔隙率、硬度和抗冲蚀性能等性质有显著的影响。H_2流量分别为0、5、10 SLPM时制备的PS-PVD热障涂层,其孔隙率分别为16.7%、20.4%、7.7%;显微硬度分别为224.2 HV0.025、236.6 HV0.025、394.4 HV0.025;固体颗粒冲蚀25 s后的失重量分别为78.5 mg、65.0 mg、17.3 mg。随着H_2组分流量的增大热障涂层的孔隙率先增加后减小,柱状结构逐渐变化,硬度和抗冲蚀性能提高。     

不同界面SiC纤维束复合材料的拉伸力学行为

利用国产三代SiC纤维通过化学气相渗透工艺(CVI)制备不同界面厚度和基体体积分数的SiC纤维束复合材料,并对其拉伸力学行为进行研究;同时,通过有限元方法研究界面厚度和基体体积分数对SiC纤维束复合材料热残余应力的影响。有限元分析结果表明:该纤维束复合材料的界面存在较为明显的径向和环向热残余应力,而且这两种应力均随着界面厚度增加而减小,随着基体体积分数的增加而增加。拉伸实验结果表明:随着界面厚度增加SiC纤维束复合材料的拉伸强度有增大趋势,且纤维拔出长度也相应增加;但在界面厚度相同的情况下,过高的基体体积分数将导致复合材料拉伸强度和韧性下降。     

组合式冷轧支承辊热装等效应力研究

为准确计算辊套和辊芯热装等效应力,首次给出了考虑辊套和辊芯尺寸、材料物理性能参数及过盈量影响的辊套和辊芯热装径向应力计算公式,在此基础上得到了不同辊套厚度及过盈量条件下热装等效应力计算公式.为了验证该理论模型,用ANSYS软件对组合式支承辊热装过程进行了数值模拟,分析了不同辊套厚度、辊套和辊芯过盈量对结合面等效应力的影响.研究结果表明:相同过盈量及辊套厚度条件下,热装过程中周向应力约为径向应力的2倍;相同辊套厚度时,过盈量每增加0.1 mm,热装等效应力增大超过20 MPa;相同过盈量时,辊套厚度每增大100 mm,热装等效应力增大约20 MPa.     

制备参数对等离子喷涂热障涂层高温冲蚀性能的影响

燃机热端部件热障涂层实际服役过程中不可避免发生高温冲蚀,引起涂层失效。采用等离子喷涂工艺制备不同喷涂距离、不同喷涂功率的热障涂层,并对其进行1 000℃/60°高温冲蚀试验,研究制备参数对热障涂层耐高温冲蚀性能的影响规律。结果表明:42 kW功率制备涂层,随喷涂距离的增加(110,120,130 mm),涂层耐高温冲蚀性能降低,冲蚀率显著增大(31.40,45.11,76.79 mg/g);110 mm喷涂距离下制备涂层,随喷涂功率的增加(39,42 kW),涂层耐高温冲蚀性能提高,冲蚀率减小(58.86,31.40 mg/g);涂层力学性能是影响其高温冲蚀性能的重要因素。     

稀土氧化物掺杂改性YSZ热障涂层研究现状与趋势

随着科技的进步与发展,面对日趋复杂的工作环境,传统的氧化钇部分稳定的氧化锆(Yttria partially stabilized zirconia)热障涂层材料在高于1200℃的环境下服役时,易出现相变、烧结收缩严重等问题,降低了涂层的隔热性能,同时伴随有一定的体积变化而加速涂层的剥落,需要研发性能更好的热障涂层以适应未来的工作环境.新一代热障涂层分为以下几类:(1)掺杂稀土氧化物改性YSZ热障涂层;(2)萤石或焦绿石结构热障涂层;(3)钇铝石榴石或磁铁铅矿热障涂层;(4)钙钛矿结构热障涂层.其中,采用稀土氧化物掺杂对YSZ进行改性的热障涂层由于可以有效降低热障涂层的热导率,提高其高温相稳定性、高温抗氧化性、高温抗腐蚀性能等而引起国内外学者的关注.本文主要介绍了目前几种有希望代替传统YSZ涂层的稀土氧化物掺杂改性YSZ热障涂层,稀土氧化物包括CeO2、Sc2 O3、Gd2 O3、La2 O3,对不同稀土氧化物掺杂改性YSZ热障涂层材料的物理化学性质、研究现状及存在的问题进行了综述.其中掺杂CeO2可降低涂层的热导率,使其耐Na2 SO4腐蚀能力增强,并提高其热稳定性;掺杂Sc2 O3不仅降低涂层的热导率,还大大提高其相稳定性,使涂层在1500℃高温下经过长时间热处理后仍然保持单一的t'相;掺杂Gd2 O3可有效提高其耐热腐蚀性,但过量掺杂会降低涂层的力学性能;掺杂La2 O3可增强涂层的抗烧结能力,有效降低其热导率.本文还对影响稀土氧化物掺杂改性YSZ热障涂层性能的其他因素(如制粉方式、喷涂工艺等)的研究现状进行了简单的介绍,对今后热障涂层体系的发展趋势及研发思路进行总结,为新型热障涂层的研制提供参考.     

物理气相沉积热障涂层批量生产用球坑仪快速测厚法研究

为了满足热障涂层批量生产时对厚度快速、准确检测的需要,本文选用球坑测厚法对物理气相沉积热障涂层厚度进行了测量研究。首先在GH3039高温合金基体上分别制备厚约120μm的NiCrAlYSi涂层和Zr O₂·Y₂O₃(YSZ)涂层,研究了研磨液粒径、研磨时间等参数与磨坑直径的关系,随后根据试验结果对高温合金试片涂覆的NiCrAlYSi/YSZ热障涂层使用球坑测厚法进行了厚度测量,并与金相测厚法结果进行了对比。结果表明：NiCrAlYSi涂层和YSZ涂层磨坑直径与研磨时间均满足抛物线增加关系;相同条件下,所用研磨液粒径为5μm和10μm时获得的磨坑直径相当,均比1μm时的大;针对同一涂层,球坑测厚法与金相测厚法测量结果吻合度高,误差在6%以内。     

悬浮液等离子喷涂热障涂层的沉积机制及热循环特性

悬浮液等离子喷涂(SPS)较大气等离子喷涂(APS)具有诸多优势,目前对SPS涂层沉积机理报道较少。采用6%~8%Y2O3-ZrO2(YSZ)悬浮液送料进行等离子喷涂制备热障涂层,利用激光粒度仪测试悬浮液中的YSZ粒度,采用扫描电镜(SEM)、光学显微镜观察雾化粒子形貌和涂层的显微组织,探讨涂层的热循环特性并分析其沉积机制。结果表明:悬浮液中93.38%的YSZ粒子尺寸在3.311μm以下;等离子火焰中雾化的YSZ粒子主要有熔融致密的小球状、未完全熔融的疏松球状和未熔融的原始无定形3种形态;喷涂时,小球状粒子撞击基体表面后主要形成直径3~7μm的致密扁平粒子,未完全熔融的疏松球状和无定形态粒子撞击基体时铺展不明显,粒子堆积时容易形成孔隙;粘结层与陶瓷层间横向裂纹的萌生扩展导致热障涂层最终脱落失效。     

Gd2Zr2O7陶瓷的高温热物理性能及Gd2Zr2O7-8YSZ双涂层制备

通过高温固相合成方法制备了烧绿石结构Gd₂Zr₂O₇陶瓷材料,研究了其高温相稳定性和热物理性能。采用电子束物理气相沉积方法制备了Gd₂Zr₂O₇-8YSZ(8%Y₂O₃-ZrO₂)双陶瓷层结构热障涂层,分析了涂层顶层的晶体结构和原子数量比。结果表明,Gd₂Zr₂O₇在室温至1500℃范围内具有良好的相稳定性,比第一代热障涂层8YSZ的高温相稳定区间提高250℃以上。Gd₂Zr₂O₇块材的热膨胀系数在100~1500℃范围内介于8.8×10^-6~11.0×10^-6 K^-1之间,与8YSZ接近; 在1000~1400℃高温区间,热导率约为1.0 W(m·K)^-1,比8YSZ降低一半左右。沉积制得的Gd₂Zr₂O₇涂层化学成分符合化学计量比,为烧绿石结构,涂层呈现典型的柱状晶结构。