热障涂层先进结构设计研究进展

随着航空航天技术的不断发展,不断提高的涡轮前进口温度及恶劣的使用环境对镍基高温合金的使用性能提出了更高的要求。热障涂层是一种应用于涡轮发动机热端部件的表面技术,通过沉积在镍基高温合金表面,降低合金表面的温度。概述了采用传统单层层状氧化钇部分稳定氧化锆热障涂层的优势,包括较低的制备成本、便捷的制备方式及较低的层间热膨胀失配应力。同时,归纳了单层层状热障涂层在高温环境下存在的问题,包括氧化锆相变与烧结造成的涂层失效,以及热膨胀系数和断裂韧性较差的新型陶瓷材料无法直接制备在黏结层表面。在此基础上重点综述了近年来热障涂层先进结构设计的研究进展,包括双层层状结构、柱状结构、垂直裂纹结构及复合结构热障涂层,其中复合结构包括激光表面改性结构、梯度涂层结构及粉末镶嵌结构热障涂层。针对各种先进结构热障涂层,分别从微观结构、热震寿命、涂层内部应力、耐腐蚀性能、抗氧化性能等方面进行了归纳,并总结了各先进结构热障涂层现阶段发展的不足之处。最后展望了热障涂层先进结构设计的发展方向。     

A2Zr2O7型稀土锆酸盐热障涂层研究进展

综述了国内外稀土锆酸盐热障涂层在制备技术,纳米涂层,涂层结构及涂层的热物理性能、力学性能及热腐蚀性能等方面的研究成果,讨论了稀土锆酸盐热障涂层在每个方面研究存在的不足。指出未来应该进一步改善稀土锆酸盐涂层的制备工艺及后处理工艺,提高涂层的结合强度,延长涂层的服役寿命,改善涂层耐腐蚀、抗烧结等性能;开发新的涂层制备工艺,重点研究各类纳米稀土锆酸盐涂层的性能;进一步提高涂层的隔热效果、服役温度及工作寿命。     

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.     

热障涂层无损检测技术研究进展

为提高发动机的涡轮前温度和热端部件服役寿命,热障涂层（TBCs）被广泛应用于燃气涡轮发动机。热障涂层具有多相、多界面和非均质特性,且其服役工况恶劣复杂。寻找一种可以表征涂层显微组织、缺陷、热物性、应力等反映涂层质量和剩余寿命的无损检测方法,对发动机的热端部件安全性和可靠性至关重要。文中综述了超声检测技术（UT）、声发射技术（AE）、红外热成像技术（IRT）、阻抗谱技术（IS）和光激发荧光压电光谱技术（PLPS）的原理以及其在热障涂层无损检测中的研究应用,并详细介绍了太赫兹时域光谱（THz-TDS）技术及其在热障涂层中的应用。最后总结了上述无损检测方法的检测能力,并对热障涂层无损检测方法进行展望。     

应变幅和相角度对热障涂层材料系统热机械疲劳性能的影响

热障涂层作为燃气轮机高温部件的关键材料,其服役过程中的脱落与失效机理一直是研究的热点问题。本文主要研究了应变幅和相角度对含热障涂层的镍基高温合金热机械疲劳性能的影响。研究结果表明,在相同相角度下,热机械疲劳寿命随应变幅的增大而降低。固定应变幅,同相位下样品的热机械疲劳寿命要高于反相位样品。所有样品中,裂纹萌生于热生长氧化物层,在粘结层与陶瓷层界面扩展形成分层裂纹,分层裂纹与陶瓷层内贯穿裂纹连接起来导致大面积的陶瓷层剥落,从而导致TBC层失效。另外,本文分析了热障涂层中的应力分布,初步建立了含热障涂层的镍基高温合金热机械疲劳寿命模型,发现含热障涂层的镍基高温合金热机械疲劳寿命与涂层中的最大应力呈指数关系。     

应变幅和相角度对热障涂层材料系统热机械疲劳性能的影响（英文）

热障涂层作为燃气轮机高温部件的关键材料,其服役过程中的脱落与失效机理一直是研究的热点问题。研究了应变幅和相角度对含热障涂层的镍基高温合金热机械疲劳性能的影响。研究结果表明,在相同相角度下,热机械疲劳寿命随应变幅的增大而降低。固定应变幅,同相位下样品的热机械疲劳寿命要高于反相位样品。所有样品中,裂纹萌生于热生长氧化物层,在粘结层与陶瓷层界面扩展形成分层裂纹,分层裂纹与陶瓷层内贯穿裂纹连接起来导致大面积的陶瓷层剥落,从而导致TBC层失效。另外,分析了热障涂层中的应力分布,初步建立了含热障涂层的镍基高温合金热机械疲劳寿命模型,发现含热障涂层的镍基高温合金热机械疲劳寿命与涂层中的最大应力呈指数关系。     

等离子喷涂金属/陶瓷梯度热障涂层研究进展

热障涂层在众多领域具有重要的应用价值,但基体与涂层的物理性能不匹配是遏制其服役性能和寿命提高的主要原因。金属/陶瓷梯度热障涂层通过逐渐改变涂层内部的成分、结构,可有效地改善基体和涂层因物理性能突变而导致的界面失效问题。首先介绍了金属/陶瓷梯度热障涂层对比于双层热障涂层的独特微观结构,并简要分析了其具有明显性能优势的原因。随后总结了金属/陶瓷梯度热障涂层残余应力的具体分布、影响因素和模拟模型优化现状,重点从优化涂层制备工艺、改进喷涂技术、改善涂层设计三个方面,介绍了改善涂层性能的研究进展。其中优化球磨和喷涂工艺参数、模拟研究喷涂过程、改进喷涂技术的方式是通过提高涂层质量来提升其物理性能,而改变涂层成分分布形式、涂层层数和厚度主要是通过改善涂层残余应力分布和水平来提升其抗热失效能力。最后提出了进一步优化模拟模型、改进喷涂技术、创新涂层设计和完善机理研究,是未来等离子喷涂金属/陶瓷梯度热障涂层的重点研究方向。     

热障涂层在飞机APU中的应用、失效形式与维护方法

飞机辅助动力装置（Auxiliary Power Unit,APU）是当前主流民用飞机上必不可少的部件,而热障涂层在APU中的应用能够减少发动机油耗、提升效率、延长热端部件的使用寿命。首先概述了飞机辅助动力装置的结构和工作原理,以及热障涂层的材料及结构体系。其次归纳了飞机APU常见热端部件中热障涂层的制备技术及应用特点,主要对大气等离子（AirPlasmaSpraying,APS）和电子束物理气相沉积（Electron–Beam Physical Vapor Deposition,EB–PVD）等2种热障涂层进行了论述。在此基础上,重点综述了热障涂层在民用飞机APU中的典型失效形式,包括高温氧化失效、烧结失效、CMAS腐蚀、颗粒物冲击等,同时结合热障涂层热生长氧化物（Thermally Grown Oxide,TGO）生长、应变能释放、蠕变与疲劳、颗粒物沉积、外来物损伤等行为,对以上失效形式的失效机理进行了重点论述;分别从微观结构观察、断裂力学参数计算、有限元建模等方面详细阐述了飞机APU热障涂层的失效分析手段与方法。最后结合航空公司的实际运营情况对提升APU使用寿命和系统可靠性给出了...     

纳米氧化锆热障涂层组织结构和高温稳定性能分析

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和XRD对纳米氧化锆热障涂层的微观组织和物相组成进行研究.微观组织分析结果表明,纳米氧化锆热障涂层展现出独特的微观复合结构,包括未熔纳米颗粒和柱状晶组织.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.纳米氧化锆热障涂层高温稳定性能试验结果表明,涂层晶粒度随着服役温度和服役时间的增加而增加,但仍保持纳米结构;涂层物相组成不随服役环境的变化而变化.     

CMAS环境下PS-PVD 7YSZ涂层的抗热冲击性能及失效机制

采用等离子喷涂-物理气相沉积（PS-PVD）工艺制备柱状7YSZ热障涂层,同时在7YSZ涂层表面沉积CMAS熔盐,研究在1250 ℃高温下,CMAS对柱状PS-PVD 7YSZ涂层抗热冲击性能的影响。采用SEM、EDS、XRD等检测方法分析热障涂层微观结构、元素分布和物相组成。结果表明：沉积CMAS熔盐的7YSZ涂层在热循环240次发生层离剥落失效,而未沉积CAMS的涂层无明显剥落,其热循环寿命明显优于沉积CMAS熔盐的7YSZ涂层。在CMAS和循环热冲击的耦合作用下,PS-PVD 7YSZ涂层失效机制为：在热冲击过程中,CMAS熔盐渗入并填充7YSZ涂层,引起渗透区和未渗透区热膨胀系数不均衡,从而产生热不匹配应力;此外,热冲击过程中由于温度梯度的存在也会引起温度梯度热应力,在这两种热应力的耦合作用下,引起涂层内部横向裂纹的产生,并随着热冲击次数的增加,横向裂纹发生扩展,最终导致涂层出现层离剥落失效。     

声发射技术在热障涂层失效机理中的研究进展及展望

热障涂层（TBCs）具有优异的高温抗氧化、高温力学和抗热腐蚀性能而备受关注,广泛应用于航空发动机和燃气轮机热端部件中。热障涂层服役环境的恶劣和涂层体系结构的复杂,极易导致涂层发生界面分层或剥落失效,因此通过对热障涂层的裂纹萌生和扩展问题进行实时监测,对于失效机理研究显得尤为重要。简述光激发荧光压电光谱（PLPS）、红外热成像（IRT）、阻抗谱（IS）的原理及其在热障涂层失效行为研究中的应用,重点介绍声发射技术在热障涂层失效机理方面的研究成果。基于声发射的热障涂层失效过程的信号分析和深度处理,结合声发射技术在热障涂层中的参数分析和波形分析,对热障涂层失效过程及失效形态进行模式识别,通过损伤程度的定量评估来进行热障涂层的寿命预测。对声发射技术在热障涂层失效预测及寿命评估指明了方向,并创新性地对未来声发射技术在热障涂层的疲劳损伤方面研究趋势提出展望。     

Low-thermal-conductivity thermal barrier coatings with a multi-scale pore design and sintering resistance following thermal exposure

High-insulation,long-life thermal barrier coatings(TBCs) decrease the service temperature of superalloys and improve the service life of gas turbines.Improvement in the thermal insulation properties of the coating mainly depends on the optimization of the TBC structure.An important challenge for TBCs is maintaining a high performance during thermal exposure without degradation,as the pore-rich structure of the topcoat would inevitably be transformed by sintering.A low-thermalconductivity anti-si...     

高熵合金薄膜微观结构与摩擦学性能的研究综述

在机械系统运行中存在的摩擦磨损问题直接影响系统的工作效率、运行可靠性和使用寿命。如何降低摩擦磨损对机械系统运行的影响至关重要。通过特殊的表面处理工艺在关键工件表面沉积耐磨损、自润滑的薄膜在众多的减摩降损方法中效果突出。相较于传统薄膜,高熵合金薄膜具有独特的微观结构和优异的力学性能,在摩擦领域表现出极佳的发展潜力。概述了近年来有关高熵合金薄膜的研究进展。首先介绍了高熵合金薄膜的基本概念和制备方法,论述了这些制备方法的原理、优缺点和适用领域。其中,通过磁控溅射法制备的高熵合金薄膜的表面光滑致密、成分均匀性好、膜基结合强度较高、组织结构可控,该方法已成为高熵合金薄膜最常用的制备方法。重点论述了采用磁控溅射法来调节元素组分、工艺参数、界面结构对高熵合金薄膜的微观结构和摩擦性能的影响,并从耐磨损性和减摩自润滑性等方面分析改善高熵合金薄膜摩擦学性能的关键因素。高熵合金薄膜具有硬质的组织结构、表面光滑致密、膜基结合牢固等特点,这是提升耐磨损性能的关键。通过复合自润滑相或氧化磨损诱导生成致密的润滑膜,可显著改善其减摩性能。总结了目前研究中存在的问题和不足,并就未来高熵合金薄膜在摩擦领域的研究方向进行了展望。     

异质梯度纳米结构金属的研究现状

强度-塑性倒置普遍存在于传统均匀或随机微观结构的金属材料,而梯度纳米结构材料由于其晶粒尺寸呈梯度变化,变形过程中不同特征尺寸的结构相互协调,使其具有优异的综合力学性能。近年来,由不同性质的非均质区域构成异质结构的设计理论、制备方法和变形机理逐步完善。本文总结了梯度结构、双峰结构、谐波结构、异质层状结构、分散纳米域和层状纳米孪晶结构等异质结构金属材料的分类及制备方法。结合梯度纳米结构金属在应力加载过程中非均匀塑性变形行为,总结其强塑性机制,包括梯度塑性、几何必须位错、机械驱动的晶粒粗化、表面残余应力和表面扰动和剪切带行为等,并讨论其未来发展所面临的挑战。     

热轧高强钢残余应力调控技术的研究现状及展望

残余应力是导致材料畸变、应力腐蚀以及疲劳性能降低的主要因素。其影响因素复杂,力学加工、温度变化和组织转变都能够直接改变材料内的应力分布并影响其服役性能,因此,残余应力一直以来都是材料研发、制备及应用领域极具挑战性的重要研究方向。受残余应力表征技术的制约,钢铁行业在该领域的研究相对滞后,使畸变、应力腐蚀等成为游离于钢铁产品质量管控体系之外的不可控因素。从残余应力三维表征技术出发,围绕残余应力问题最为突出的热轧板带生产流程,探讨了组织转变和力学冶金过程的塑性行为及其对残余应力的影响,展望了残余应力调控的工艺优化方向和技术发展趋势。     

高熵陶瓷薄膜和涂层的研究进展

具有5种或5种以上阳离子的高熵陶瓷由于其在各种结构和功能应用中的优异性能,引起了人们的极大关注。在引入熵稳定概念后,人们开始做出重大努力来增加熵,使吉布斯自由能最小化,并实现稳定的单相高熵陶瓷。本文综述了近年来高熵陶瓷薄膜和涂层的最新研究进展。首先从高熵陶瓷薄膜和涂层中的高熵概念出发,介绍了其微观结构;然后概述了高熵陶瓷薄膜和涂层的制备方法,并详细总结了其优异性能的研究成果;最后在此基础上对高熵陶瓷薄膜和涂层进行展望。     

Progress and Application of Microstructure Simulation of Alloy SolidificationEI北大核心CSCD

Solidification structures are the interaction links between the alloy components and their mechanical properties. Scientifically comprehending about the formation mechanisms, dominant factors and control methods in alloy solidification has a significant effect on the structure control and optimization. Dendritic structure is the most frequently observed solidification microstructure of alloys and controlled by heat, solute, melt flow, capillary and many other factors. Modelling and simulating can accurately quantify various phenomena and evolution rules in the process of solidification, thus play an increasingly important role in the design, preparation, processing and performance optimization of alloy materials. Over the past two decades, remarkable progress has been made and various models have been proposed in microstructure simulation during alloy solidification process, such as deterministic method, phase field (PF), Monte Carlo (MC) and cellular automaton (CA). With the advantages of clear physical meaning, easily programming and high calculation efficiency, CA method has been widely applied in the study of solidification structure simulation and exhibits great advantages. Considering the current development level of computer hardware, numerical model and calculation method, microstructure simulation of large components mainly adopts macro-microscopic coupling calculation method, such as CA-FD/FE model. The heat transfer and other multi-physical fields are calculated at the level of coarse mesh, where-as nucleation and dendritic growth are simulated at a much finer grid level. This paper reviews the main models and development of CA method used for nucleation simulation. The key aspects in the simulation of dendritic growth including mean solid-interface interface curvature, growth kinetics and the algorithm for eliminating "pseudo anisotropy" are discussed. Based on this, the development and application status of macro-micro coupling model during casting, directional solidification and other manufacturing fields are summarized. Finally, the existing problems and future tendency for simulation of solidification structures are analyzed.     

石墨和C/C复合材料表面ZrB2-SiC陶瓷涂层的研究进展

C/C复合材料具有优异的高温力学性能,是航空航天领域最具发展前景的结构材料之一,但在高温含氧环境中的氧化问题严重地限制了其实际应用。涂层技术是提升基体抗氧化能力的有效手段,因ZrB_2-SiC陶瓷涂层具有优异的抗氧化、抗烧蚀、抗热震等性能,非常适合作为C/C复合材料的高温防护涂层。首先,介绍了ZrB_2-SiC陶瓷涂层在氧化和烧蚀过程中组织结构的演变规律,阐明了该涂层的高温防护机理;然后,综述了该涂层的主要制备方法(包埋法、CVD、等离子喷涂)及每种方法的优点与不足,并对不同方法所制备涂层的抗氧化性和抗烧蚀性进行了比较;之后,针对该涂层研究和应用中存在的问题,如涂层致密性差、元素分布不均匀、应用温度范围窄、与基体热匹配性差等,从粉体改性和掺杂改性两方面总结了该涂层的改性研究现状,重点阐述了对ZrB_2-SiC粉末进行喷雾造粒和感应等离子球化处理对于提升等离子喷涂涂层性能的重要意义;最后,从涂层制备、涂层结构设计、涂层改性、涂层性能测试等方面,指出了该涂层体系存在的主要问题和未来的发展方向。