不同结构等离子喷涂热障涂层的性能研究

通过等离子喷涂,制备了常规层状结构、垂直裂纹结构的氧化钇部分稳定氧化锆(YSZ)和铈酸镧(LCO)热障涂层,分析了涂层的微观形貌及性能。结果表明:对于YSZ涂层,垂直裂纹结构的结合强度是层状结构的1.8倍;LCO涂层的微观结构对喷涂工艺比较敏感,适当降低喷涂功率有助于提高扁平化粒子间的结合,缓解涂层中横向裂纹的产生,促进垂直裂纹形成;与层状结构的LCO/YSZ双层涂层相比,垂直裂纹结构的LCO/YSZ双层涂层的结合强度和抗热震性能未明显提高。     

无冷却喷涂工艺对其制备的热障涂层的裂纹系统和寿命的影响

无冷却喷涂形成的热障涂层裂纹体系,可提高陶瓷顶层应变容限.但目前缺乏对裂纹体系的系统研究,特别是横向分叉裂纹.因此,文中研究送粉率和基体预热温度对陶瓷顶层裂纹系统的定量影响,并比较不同裂纹系统的热循环寿命.结果表明,增加送粉率,垂直裂纹密度和横向分叉裂纹长度均呈现先大后小的趋势.预热温度的提高可增加涂层中垂直裂纹数量,但横向分叉裂纹长度呈现先增后降的趋势.热循环试验表明,维持一定垂直裂纹的同时,降低横向分叉裂纹可提高涂层热循环寿命.     

等离子喷涂热障涂层相结构的研究

研究了等离子喷涂两层热障涂层在大气和真空环境下，经1100℃不同时间扩散处理后相结构的变化。结果表明，喷涂过程中，ZrO2发生M相→T相转变；经大气环境扩散处理后，ZrO2发生T相→M相转变，NiCrAlY相被氧化形成Al2O2和NiAl2O4相，同时r'-Ni3Al相有强烈的择优取向。     

等离子喷涂热障涂层的高温氧化行为研究

采用等离子喷涂工艺在K38高温合金基体上分别制备了Y2O3稳定的ZrO2(YSZ)和MgO稳定的ZrO2热障涂层(MSZ),利用热重分析、X-射线衍射和带能谱的扫描电镜等手段,研究分析了两种涂层在900℃和1000℃的高温氧化性能.结果表明:YSZ涂层和MSZ涂层在900℃都有较好的抗高温氧化性能:MSZ涂层在1000℃氧化时发生了相变,引起陶瓷外层开裂,影响了涂层的抗氧化性能和使用寿命,而YSZ涂层在1000℃氧化没有相变发生,表现出比MSZ涂层更佳的抗氧化性能.     

等离子喷涂耐磨涂层及热障涂层的新进展

综述了等离子喷少技术在耐磨损涂层及热障涂层方面的研究进展,分析了等离子喷涂技术与新设备,新工艺融合后两种涂所展现出的更为优越的性能;最后指出了两种涂层的发展趋势。     

等离子喷涂热障涂层的热循环氧化行为研究

本文采用大气等离子喷涂在HA188合金基材上制备NiCrAlY+YSZ热障涂层,并进行了1100 oC、1120 oC和1150 oC三个温度点的高温循环氧化行为对比研究。结果表明,随着考核温度的升高,热障涂层热循环失效寿命显著下降,失效主要是由YSZ/NiCrAlY界面附近YSZ 层中裂纹形成和扩展导致。循环失效后的YSZ与制备态的相结构一样,均为非平衡四方相t\"-ZrO2,未发生t\"→c+m相变。在热循环过程中,YSZ/NiCrAlY界面形成的热生长氧化物层（Thermally Grown Oxide, TGO）增厚基本符合“抛物线”规律,并且YSZ中裂纹的产生和扩展与TGO的增厚直接相关。     

界面粗糙度对热障涂层残余应力和裂纹演化的影响

由于残余应力的作用是造成热障涂层失效剥落的主要因素之一,本工作采用不同幅值的正弦曲线来模拟粗糙度对陶瓷层(TBC)-结合层(BC)界面处残余应力分布的影响;以内聚力模型模拟TBC-BC界面,研究了在外加机械载荷作用下粗糙度对界面裂纹萌生和扩展的影响。结果表明,粗糙度对残余应力分布以及裂纹的形核与扩展有很大的影响。随着粗糙度的增大,陶瓷层和结合层靠近界面的波峰波谷处最大拉/压应力也增大。当施加一定拉伸位移载荷时,最大损伤与裂纹首先在幅值最小的波峰波谷处产生。     

悬浮液等离子喷涂热障涂层研究进展

悬浮液等离子喷涂(SPS)解决了纳米尺度粉末输送困难的问题,在热喷涂领域得到了快速发展。介绍了悬浮液等离子喷涂的原理和特点,综述了不同工艺条件对热障涂层结构的影响:降低弧电压的波动可以提高SPS工艺的可控性;降低喷枪功率、降低悬浮液浓度、增大喷涂距离,可实现涂层由垂直裂纹结构向柱状晶结构的演变;降低表面粗糙度可提高柱状晶的均匀性;溶剂为乙醇、溶质粒度分布合理的悬浮液更容易获得柱状晶结构。总结了SPS制备热障涂层产生垂直裂纹结构和类柱状晶结构的机理,认为在相同表面粗糙度下,熔滴尺寸和切向速度是影响涂层结构的关键。SPS-8YSZ涂层的隔热性能和热循环性能较好,具有良好的应用前景。     

等离子喷涂YSZ热障涂层的热腐蚀行为研究

为了研究YSZ热障涂层在热腐蚀环境下的服役情况,采用等离子喷涂工艺在K38高温合金基体上分别制备了Y2O3稳定的ZrO3（YSZ）热障涂层和MgO稳定的ZrO2热障涂层（MSZ）,利用热重分析、X-射线衍射和带能谱的扫描电镜等手段,研究分析了这2种涂层在850℃含氯硫酸盐膜下的热腐蚀行为。结果表明：MSZ涂层在850℃热腐蚀时发生了相变,引起陶瓷外层开裂和剥落,影响了涂层的抗高温性能和使用寿命;而YSZ涂层在850℃腐蚀后没有相变发生,表现出了比MSZ涂层更佳的抗热腐蚀性能。     

等离子喷涂双层热障涂层沉积过程的数值模拟

运用ANSYS1O.O有限元分析软件对等离子喷涂典型双层热障涂层沉积过程的温度和应力变化过程进行了数值模拟.结果表明,喷涂过程中,基体背面温度呈台阶状上升,涂层颗粒的温度大幅度周期波动,涂层颗粒的应力随之大幅度周期波动;喷涂结束后,涂层内的残余应力趋于稳定,x方向的最大拉应力存在于陶瓷层与粘结层结合面的边缘;最大y方向拉应力和层间应力都存在于陶瓷层和粘结层的结合面上.涂层的结合面边缘是应力集中部位,结合面的中部应力分布均匀.陶瓷层表面x方向的最大拉应力为423.7MPa.

Abstract：

Nmnerical simulation was performed by finite element analysis (FEA) to investigate the temperature and stress in a typical duplex thermal barrier coating. During the spraying process, the temperature of the back surface of substrate increases step by step, both the temperature and the stress of the coating fluctuate periodically within a wide range. After the deposition, the specimen was cooled to the room temperature slowly. The stresses become constant values, and the maximum radial tensile stress exists at the interface between the ceramic layer and the bonding layer, and the maximum axial and shear stresses exist at the interface, where is the concentrated stress area. The stresses of the middle interfaces are uniform. The maximum tensile stress on the ceramic layer surface is 423.7 MPa.     

TC4表面超音速等离子喷涂热障涂层的研究

利用超音速等离子喷涂技术在TC4合金基体表面喷涂由CoNiCrAlY过渡层和ZrO2陶瓷面层组成的梯度热障涂层,并进行800℃静态高温氧化试验.采用SEM,XRD分析了涂层的组织、形貌及结构,并研究了涂层表面硬度的变化.结果表明:TC4合金经等离子喷涂处理后表面形成陶瓷热障涂层且与基体结合紧密,表面高温抗氧化能力提高.     

大气等离子喷涂氧化锆热障涂层研究进展

简要概述了大气等离子喷涂技术、等离子喷涂热障涂层选用氧化锆材料的原因及其具有的优异性能,同时也介绍了等离子喷涂制备热障涂层的国内外研究现状并指出了未来的发展方向.     

超声频率对等离子喷涂热障涂层结合强度的影响

在等离子喷涂过程中实时引入超声激励，进行ZrO2热障涂层制备。喷涂过程中保证超声激励能量不变。改变超声频率，并与不加超声进行对比，研究电弧超声频率对涂层结合强度的影响。结果表明，适当的超声频率对于涂层结合强度的提高和稳定起到了促进作用。     

TiAl合金等离子喷涂热障涂层高温氧化后硬度的研究

利用等离子喷涂法在TiAl合金基体表面依次喷涂得到由CoNiCrAlY粘结层和(ZrO 2 Y 2O 3)陶瓷顶层组成的双层结构的热障涂层,对喷涂后的TiAl合金进行高温氧化试验.用SEM观察和分析了涂层高温氧化后的组织、结构及形貌,并研究了涂层表面硬度的变化.     

Optimization of Air Plasma Sprayed Thermal Barrier Coating Parameters in Diesel Engine Applications

In the present paper, an optimization of thermal barrier coating parameters is performed for diesel engine applications. The substrate is A356.0-T7, a cast aluminum alloy which has a vast application in diesel engines, and the alloy is coated by plasma sprayed ZrO₂-8 wt.% Y₂O₃. Parameters including the feed rate of coating powders, the nozzle distance to specimen surfaces, and the coating thickness are optimized by thermal shock fatigue tests and bending tests. Optimum values of the feed rate and the nozzle distance are 30 g/min and 80 mm, respectively, when the objective is considered as maximizing the bending strength. Thermal shock tests demonstrate that lower thickness of coating layers has a better lifetime. By increasing the coating thickness, the thermal fatigue lifetime decreases. The reason is due to higher order of stresses near the interface of the substrate and the bond coat layer, calculated by a finite element simulation. One suggestion to improve the lifetime is to use multiple layers of coatings.     

等离子工艺热障涂层的热疲劳分析

热障涂层作为先进的热防护技术,在航空发动机热端部件上有重要的应用,它与先进气膜冷却技术、先进单晶合金材料技术并称为航空发动机涡轮叶片三大关键技术。为了保证发动机安全可靠地工作,研究并测试热障涂层的力学参数和热疲劳特性是其工程应用的前提与基础。本文以等离子喷涂工艺制备的热障涂层为研究对象,利用共振原理和复合梁理论,获得了热障涂层表层一陶瓷层从常温到1150℃高温条件下的杨氏模量。同时,鉴于热障涂层的热疲劳失效模式为剥落,着重对热障涂层的热疲劳特性进行研究。以带热障涂层的圆管试样为模拟件进行了热疲劳试验,试验载荷选择50℃／1050℃的梯形波。利用所测试的材料参数和有限元方法进行了热变形分析,提取了热疲劳寿命控制参量,对模拟试样的热疲劳寿命进行了预测,结果显示,预测结果较为精确。     

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,梯度热隙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。     

Numerical Simulation of Damage and Fracture on Typical Interfaces of Plasma Sprayed Thermal Barrier Coatings

Modern thermal barrier coatings (TBC) are required to not only limit heat transfer through the coating but to also protect engine components from thermal cyclic load and oxidation. Failure mechanism of TBC is important for the safety status of components. To obtain a better understanding of the failure mechanism under thermal cyclic load, a new type of interface elements with three nodes which is based on the idea of interface damage mechanics was proposed. Compared with traditional interface elements, thes...     

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.     

Remaining Fatigue Life Assessment of Plasma Sprayed Thermal Barrier Coatings

Ceramic functional coatings are frequently applied to structural materials, covering a wide range of thermomechanical and electrochemical applications. The main limiting feature is their reliability when subjected to cyclic transient thermal stresses. The study described in this article is a continuation of earlier research study focused on acoustic emission (AE) monitoring of the thermomechanical aging effects in ceramic coatings. Here, emphasis is placed on the usefulness of combining AE short-term monitoring with finite element modeling (FEM) to predict the performance of such coatings when subjected to cyclic thermal loads. The FEM study presented in this article is based on a three-dimensional, time-dependent approach, of the stress fields that developed within the coatings during the post-deposition cooling step and the thermal cycling. Experiments were conducted using yttrium-stabilized zirconia (YSZ) and Alumina (Al₂O₃) ceramic coatings combined with a NiCr-based intermetallic bond coat.