液相等离子喷涂La2O3-Y2O3-ZrO2涂层的组织结构与性能

采用一定化学配比的ZrOCl2·8H2O、YCl3和LaCl3三种盐溶液合成前驱体溶胶作为等离子喷涂液体喂料,制备二元稀土氧化物氧化镧与氧化钇共稳定的氧化锆陶瓷涂层,并测试分析了该涂层的组织结构、高温相稳定性及隔热性能。结果表明,氧化镧与氧化钇共稳定的氧化锆陶瓷涂层具有良好的隔热性能及高温相稳定性。     

超音速等离子喷涂抗冲蚀 7YSZ 热障涂层

针对热障涂层在航空发动机低压涡轮导向叶片上应用时易发生冲蚀的问题,使用超音速等离子喷涂(SAPS)方法制备了7%氧化钇稳定氧化锆(7YSZ)热障涂层,对比普通等离子喷涂7YSZ涂层进行了研究。结果表明SAPS涂层熔化效果更好、微观结构更致密且呈小孔隙弥散分布。涂层的结合力、显微硬度、抗热震性能和抗高温冲蚀效果更好。两种涂层的隔热性能在薄涂层时(厚度150μm)相差不大,在厚度达到200μm时SAPS涂层会有降低。     

氧化钇稳定氧化锆耐刻蚀涂层的研究现状

随着热喷涂技术的发展,通过制备陶瓷涂层来提高等离子刻蚀机腔室的耐腐蚀性能已成为可能。本文主要论述了氧化钇稳定氧化锆(YSZ)陶瓷涂层及其主要制备技术大气等离子喷涂的工艺过程,介绍了粉末特性及不同喷涂工艺参数对涂层性能的影响作用,为实验研究奠定理论基础。     

等离子喷涂氧化钇稳定氧化锆涂层的分形特征与断裂韧性

采用超音速等离子喷涂和普通大气等离子喷涂制备了微米级氧化钇稳定氧化锆（yttria-stabilized zirconia,YSZ）基热障涂层,使用SprayWatch-2i系统测试喷涂过程中粒子飞行速度及表面温度,通过扫描电镜和图像分析技术表征涂层微观结构,利用压痕法测试了断裂韧性和弹性模量,采用基于分形思想的面积-周长幂率定量表征两种工艺条件下孔隙不规则形态,并研究了分形维数对涂层断裂韧性的影响。结果表明:超音速等离子喷涂和普通大气等离子喷涂YSZ涂层孔隙都具有分形特性;超音速等离子喷涂YSZ涂层分形维数是普通等离子喷涂涂层的1.12倍,孔隙结构更复杂,涂层断裂韧性更高。     

高能等离子喷涂TBCs热循环失效机理研究

本文研究了高能等离子喷涂和大气等离子喷涂两种工艺中粉末束流的特点,并采用两种喷涂工艺制备YSZ涂层,通过观察涂层在热循环条件下的微观组织变化,探讨了高能等离子喷涂YSZ涂层的热循环失效机理。结果表明,采用高能等离子喷涂工艺时,粉末粒子的速度可达430m/s,而采用常规大气等离子喷涂时,其速度仅为275m/s;采用高能等离子喷涂工艺制备的YSZ涂层的结合强度可大于60MPa,而大气等离子喷涂的YSZ涂层的结合强度为45MPa;与大气等离子喷涂相比,高能等离子喷涂工艺制备的YSZ涂层的热循环寿命可提高20%;在热循环过程中涂层内可形成垂直裂纹,但两种涂层的热循环失效方式相似。     

低压等离子喷涂纳米YSZ-Al_2O_3涂层组织性能的研究

低压等离子喷涂纳米氧化锆热障涂层,具有独特的组织结构。纳米团聚颗粒在高温等离子射流中部分熔化后沉积到基体上,团聚颗粒能够保留部分纳米结构,形成一种以纳米晶为主的纳米-微米二元结构涂层,为热障涂层的制备提供了一种新的技术方案。YSZ涂层高温服役中,纳米晶粒容易烧结长大。本文通过向YSZ粉体中加入少量的纳米α-Al_2O_3,探讨其抑制YSZ热生长的机制。首先制备了YSZ-Al_2O_3纳米混合物团聚粉末,并借助低压等离子喷涂技术制备涂层。结果表明纳米晶区占主导地位,纳米晶区嵌有少量的微米晶粒。涂层经1400℃,10h热处理,微观组织结构分析表明,α-Al_2O_3的加入对YSZ晶粒热生长具有部分抑制作用。     

热障涂层体系中MCrAlY合金粘接层结构设计及高温氧化行为研究

本研究旨在通过设计热障涂层体系(TBCs)中合金粘接层的结构以提高TBCs抗氧化性能和热循环使用寿命。研究中采用超音速等离子喷涂(SAPS)沉积不同结构的钴基及镍基合金涂层并对其进行高温氧化性能试验,以此优选涂层结构,并与超音速火焰喷涂(HVOF)沉积的合金涂层进行结构性能对比。结果表明:在高温抗氧化过程中,SAPS涂层中未熔颗粒含量分别为35%±5%的钴基涂层与10%±3%的镍基涂层抗氧化性能最为优异;在相同的合金成分及陶瓷层结构下,SAPS涂层与HVOF涂层相比热循环使用寿命提高了一倍,而热生长氧化物(TGOs)的平均生长速率则降低了20%以上。超音速等离子喷涂可以实现"一步法"制备粘结层和陶瓷层,避免了两步法中间工艺转换过程的二次污染问题,喷涂过程简单,喷涂效率提高,成本大幅降低,具有良好的产业化前景。     

钛合金热障涂层高温氧化和热循环性能

分别采用超音速火焰喷涂和大气等离子喷涂工艺,在高温钛合金基体上制备出由Ti-48Al-2Cr-2Nb粘结层和8YSZ陶瓷面层组成的热障涂层.对这两种涂层进行高温静态氧化和热循环实验,结果表明：高温静态氧化后,两种涂层内均形成一层生长氧化层(TGO),该氧化层由Al₂O₃和TiO₂组成,位于粘结层和陶瓷面层之间.大气等离子喷涂制备的涂层经高温氧化后,原有的界面裂纹基本消失;而超音速火焰喷涂制备的涂层在高温氧化过程中,由于TGO过度生长导致界面处仍有裂纹存在.两种涂层在热循环实验后氧含量稍微增加,均没有出现明显的分层现象,表现出较好的抗热震性能。对两种涂层微观组织和高温性能进行对比研究后可知,大气等离子喷涂得到的涂层组织更为均匀致密,抗高温氧化和热循环的性能更好.     

多元稀土掺杂ZrO_2粉末制备与涂层性能研究

稀土掺杂氧化锆热障涂层广泛应用于燃气轮机和航空发动机中以满足其对使用性能和服役寿命的更高要求。本文利用稀土氧化物粉末和氧化锆粉末为原料,采用固相合成法制备了La_2O_3-Gd_2O_3-Yb_2O_3-Y_2O_3-ZrO_2粉末,利用大气等离子喷涂制备LaGYYSZ涂层,利用场发射扫描电镜、X射线衍射和激光拉曼光谱研究了粉末及涂层微观形貌、相结构。结果表明,所制备的La GYYZ粉末基本呈规则实心球,且球形度良好,粒径均匀,其分布范围为30~90μm,且流动性较好,具有良好的高温相稳定性,满足大气等离子喷涂工艺的要求。粉末和涂层均呈四方相/立方相结构,涂层孔隙率13%。在相同测试条件下,LaGYYSZ涂层的隔热性能更优异,较8YSZ涂层提高了18%。     

溶剂类型对液相等离子喷涂涂层性能影响

溶液前驱体等离子喷涂(SPPS)和悬浮液等离子喷涂(SPS)采用溶液前驱体或悬浮液替代传统大气等离子喷涂中的喷涂粉末,可制备出由大量细小粒子组成的具有纳米结构及独特性能的涂层。本文以溶液前驱体和悬浮液的溶剂类型为线索,介绍了采用SPPS和SPS技术制备YSZ、Al2O3、Ti O2涂层的研究进展。     

Microstructure and thermal cycling behavior of nanostructured yttria partially stabilized zirconia (YSZ) thermal barrier coatings

Nanostructured yttria partially stabilized zirconia(YSZ) coatings were prepared by atmospheric plasma spraying(APS) using the conglomeration made by zirconia nanoparticle as the raw materials.The measurement methods,which consisted of scanning electron microscopy(SEM),transmission electron microscopy(TEM) and thermal cycling behavior,were used to character the morphology,composition and thermal oxidation behavior of the powder and the coatings.From the results,it was shown that the YSZ coating was the laminar structure,and the elements distribution in the bond and top coat were well-proportioned.The YSZ coatings were composed of fine grains with size ranging from 30 to 110 nm.The laminar layers with columnar grains were surrounded with unmelted parts of the nanostructured powder and some equiaxed grains.In the as-sprayed nanostructured zirconia coatings,there existed pores that were less than 1 μm.The cracks were observed on some of the crystal border.The cyclic oxidation experiment showed that the nanostructured coating had longer thermal cycling lifetime to exhibit the promising thermal cyclic oxidation resistance.The failure of the nanostructured TBC was similar to the failure of conventional APS TBC.     

Investigation of three steps of hot corrosion process in Y_2O_3 stabilized ZrO_2 coatings including nano zones

Phase transformation of tetragonal ZrO2 to monoclinic phase and also increment of bond coat oxidation kinetic（TGO thickening） can substantially restrict the life time of thermal barrier coating systems（TBCs）. So, nanostructured and conventional Y2O3 stabilized ZrO2 coatings were evaluated in fused V2O5-Na2SO4 salts during thermal exposure in air. Microstructural characterization showed lower hot corrosion products（monoclinic zirconia, YVO4 crystals） formation and reduction of TGO thickness in thermal barrier coating system consisting of nanostructured Y2O3 stabilized ZrO2（YSZ） top coat. It was found that inhomogeneities, pores and micro-cracks played a principal role in the molten salts infiltration into the YSZ coating during three steps of hot corrosion process. In the nanostructured YSZ coating with tri-model structure, nano zones which surrounded by fully molten parts could fill the aforementioned defects and could act as barrier for the oxygen and corrosive molten salts penetration into the TBC.     

纳米氧化锆热障涂层高温性能演变研究

采用大气等离子喷涂技术制备了纳米氧化锆热障涂层。利用FESEM、XRD和拉曼光谱开展了纳米氧化锆热障涂层的微观组织和物相组成的高温演变研究。微观组织分析结果表明,纳米氧化锆热障涂层始终保持着独特的“纳米-微米”双态结构,而其中纳米晶粒大小随着服役温度和服役时间的增加而增大,但仍保持纳米结构;物相分析结果表明,纳米氧化锆热障涂层主要由非平衡四方相组成,并不随服役环境的变化而变化;而拉曼峰形状及位置的变化则进一步揭示了高温服役环境会造成涂层组织缺陷减少和声子散射降低,从而导致热导率的上升。     

Effect of Y2O3 stabilized ZrO2 coating with tri-model structure on bi-layered thermally grown oxide evolution in nano thermal barrier coating systems at elevated temperatures

Bi-layered thermally grown oxide(TGO) layer plays a major role in the spallation of Y2 O3 stabilized ZrO2(YSZ) layer form the bond coat in the thermal barrier coating(TBC) systems during oxidation. On the other hand, bi-layered TGO formation and growth in the TBC systems with nanostructured YSZ have not been deeply investigated during cyclic oxidation. Hence, Inconel 738/NiCrAlY/normal YSZ and Inconel 738/NiCrAlY/nano YSZ systems were pre-oxidized at 1000 °C and then subjected to cyclic oxidation at 1150 °C. According to microstructural observations, nanostructured YSZ layer over the bond coat should have less micro-cracks and pinholes, due to the compactness of the nanostructure and the presence of nano zones that resulted in lower O infiltration into the nanothermal barrier coating system, formation of thinner and nearly continuous mono-layered thermally grown oxide on the bond coat during pre-oxidation, lower spinels formation at the Al2 O3 /YSZ interface and finally, reduction of bi-layered thermally grown oxide thickness during cyclic oxidation. It was found that pre-heat treatment and particularly coating microstructure could influence microstructural evolution(bi-layered TGO thickness) and durability of thermal barrier coating systems during cyclic oxidation.     

纳米及传统微米级热障涂层热循环过程中的组织演变研究

本文以超音速等离子喷涂方法沉积NiCoCrAlY金属粘结层,以普通大气等离子喷涂沉积纳米及微米级YSZ两种陶瓷表层,并对涂层进行热循环实验,对比研究不同结构热障涂层在热循环条件下的组织演变规律。结果表明：由于纳米团聚粉体的不充分熔化导致纳米涂层中存在较多的微裂纹和孔隙,微米、及纳米涂层的孔隙率分别为10%及15%,载荷300g下的显微硬度分别为776.1及606.9。两种结构的热障涂层在热循环过程中均出现了网状裂纹,但随着热循环次数的增加,这些微裂纹不断连接扩展,裂纹宽度不断增加,并且与纳米涂层相比,微米涂层裂纹的扩展和拓宽速度相对较快。纳米涂层由于孔隙率较高,热生长氧化物（TGO）生长速度较快,TGO的快速生长导致陶瓷层/金属粘接层界面的应力增大,使得横向裂纹（平行于陶瓷层/金属粘接层界面）萌生及扩展并引起涂层的剥落失效。     

超低压等离子喷涂YSZ涂层显微组织结构研究

采用超低压等离子喷涂技术(Plasma Spray-Physical Vapor Deposition,PS-PVD)制备了YSZ涂层,对涂层的显微组织结构进行了分析,并对比了粘结层表面不同预处理对于YSZ涂层生长趋势的影响规律。研究结果表明:MCrAlY涂层致密,孔隙率为1.5%,结合强度达83.2MPa;YSZ涂层呈现明显的柱状晶结构。粘结层表面粗糙度对柱状晶生长方向影响较大,表面粗糙度越小,柱状晶生长方向越趋于一致,基本沿法向生长。在超低压状态下,涂层不存在"遮蔽效应",可实现异型面涂层制备。     

等离子喷涂Sc2O3、Gd2O3和Y2O3复合稳定ZrO2热障涂层相稳定性及导热性研究

采用化学共沉淀-煅烧法制备了Sc2O3、Gd2O3和Y2O3复合稳定ZrO2陶瓷原粉,陶瓷原粉经球磨、团聚造粒和烧结处理后得到适于等离子喷涂工艺的热喷涂粉末。测试分析了Sc2O3、Gd2O3和Y2O3复合稳定ZrO2热喷涂粉末微观形貌、流动性及其等离子喷涂涂层的相稳定性及导热性。结果表明Sc2O3、Gd2O3和Y2O3复合稳定ZrO2材料及其等离子喷涂涂层具有优异的高温相稳定性,即使在1400℃热处理500小时依然呈四方相结构、无单斜相出现,涂层热导率比单一Y2O3稳定ZrO2涂层明显降低,Sc2O3、Gd2O3和Y2O3复合稳定ZrO2可以用作新型超高温热障涂层材料。     

连铸机拉矫辊辊面激光重熔纳米ZrO2基涂层性能

 为了提高连铸机拉矫辊的使用寿命,在H13钢表面等离子喷涂常规级和纳米级两种规格的ZrO2涂层,并对其进行激光重熔处理。利用有限元软件ABAQUS分析热障涂层对拉矫辊温度场的影响,利用激光共焦显微镜观察涂层表面和断面的组织结构,利用场发射扫描电子显微镜（SEM）测量涂层断面的元素分布,采用Gleeble-3800热模拟试验机考查涂层的抗热冲击性,结果发现,经激光重熔之后纳米级ZrO2涂层的孔隙率和微裂纹数量都明显少于常规级ZrO2涂层,并且纳米级ZrO2涂层的抗热冲击性都优于常规级涂层。     

新型热障涂层材料及其制备技术的研究与发展

热障涂层（thermal barrier coatings,TBCs）能有效的提高航空发动机热端部件的工作温度和使用寿命。目前应用最为广泛的热障涂层材料为氧化钇部分稳定氧化锆（yttria-stabilized zirconia,YSZ）,该热障涂层材料在服役温度高于1200℃下会发生相变,严重影响航空发动机的使用寿命和服役安全,难以满足新一代航空发动机的服役要求。本文综述了新型热障涂层材料的研究现状,重点介绍了掺杂改性氧化钇部分稳定氧化锆、烧绿石或萤石结构材料、钙钛矿结构化合物、磁铅石矿结构化合物以及新型黏结层材料的研究进展和发展方向,并论述了热障涂层制备技术的方法原理和优缺点,最后对热障涂层材料和制备方法的发展趋势进行了展望。     

大气等离子喷涂工艺对纳米结构和传统Yb2SiO5 涂层微观结构的影响

纳米材料由于具有一些独特的效果而表现出了独特的性能,纳米结构稀土硅酸盐被认为是很有前景的环境 障碍涂层 ( EBC ) 材料之一。稀土硅酸盐材料中Yb2SiO5 因其卓越的高温相稳定性、对水蒸气环境的耐久性、低 热导率以及优秀的化学稳定性受到了研究者们的广泛关注。本文研究了大气等离子喷涂工艺 ( APS ) 参数对纳米 结构和传统Yb2SiO5 涂层微观结构的影响,并研究了相同大气等离子喷涂工艺下,纳米结构Yb2SiO5 喂料和传统 Yb2SiO5 喂料对涂层微观结构的影响,分析了APS 制备过程中不同结构喂料对涂层结构影响机制。结果表明：相 同喷涂参数制备的纳米结构Yb2SiO5 涂层孔隙率低于传统Yb2SiO5 涂层,以及纳米结构Yb2SiO5 涂层的铺展性和 融化度均优于传统Yb2SiO5 涂层,表明纳米结构Yb2SiO5 涂层为很有前途的环境障碍涂层之一。