热障涂层抗腐蚀研究进展

腐蚀是燃气轮机涡轮叶片Y2O3稳定ZrO2(YSZ)热障涂层失效的主要原因.本文系统总结了YSZ热障涂层服役过程中面临的腐蚀环境:高温相变、烧结与氧化腐蚀,Na2SO4和V2Os熔盐腐蚀,以及熔融钙镁铝硅酸盐玻璃(CMAS)腐蚀.分析了YSZ热障涂层腐蚀机理,讨论了提高热障涂层抗腐蚀性能的理论和方法,指出了热障涂层抗腐蚀研究发展方向.     

高温燃气下CMAS混合盐覆盖对YSZ热障涂层性能的影响

分别采用大气等离子喷涂(APS)和等离子喷涂-物理气相沉积(PS-PVD)两种工艺方法制备YSZ(Y_2O_3稳定ZrO_2)热障涂层,同时在YSZ涂层表面沉积CMAS(CaO-MgO-Al_2O_3-SiO_2)混合盐,研究高温燃气持续加热下两种YSZ涂层的抗CMAS腐蚀行为。采用SEM、EDS、XRD等检测手段表征热障涂层腐蚀前后的微观结构、成分及物相变化。结果表明:APS-YSZ涂层在高温下经CMAS渗透后从基体整块剥落,涂层快速失效,而PS-PVD-YSZ涂层经高温燃气加热后同样被CMAS渗入,但并未发生明显涂层剥落,抗CMAS腐蚀剥落性能明显优于APS-YSZ涂层。分析表明CMAS混合盐对YSZ层的失效作用主要表现为热机械作用,其中APS-YSZ涂层应变容限较小,在涂层冷却过程中出现整块剥离现象,而PS-PVD-YSZ涂层应变容限较大,抗热震性好,涂层未出现整块剥离现象。     

CeO_2/ZrO_2-Y_2O_3纳米热障涂层高温熔盐腐蚀性能及失效机理

采用两种热障涂层材料分别是纳米8%Y_2O3-ZrO_2(以下简称为YSZ)和在8%Y_2O_3-ZrO_2中掺杂25%的纳米CeO_2(以下简称为CSZ),应用大气等离子喷涂技术在GH30高温合金钢表面上制备了YSZ和CSZ隔热涂层,测试了两种涂层在950℃时耐Na_2SO4熔盐腐蚀的能力,使用SEM、XRD和EDS技术对涂层的失效机理进行了分析,结果表明:腐蚀60h后,YSZ涂层大面积脱落并且出现了t-ZrO_2→m-ZrO_2转变,而CSZ涂层基本无脱落,保持t-ZrO_2。CSZ阻止腐蚀介质进去涂层的能力强于YSZ,抗高温熔盐腐蚀性能优于YSZ。     

电泳沉积制备YSZ/(Al,Ni)热障涂层的性能研究

利用电泳沉积技术在Inconel600高温合金基体表面制备热障涂层。涂层经1100℃真空烧结2 h后,利用XRD、SEM、自动划痕机和电化学工作站分析涂层的物相、表面形貌、结合强度和抗氯腐蚀能力。结果表明,YSZ/(Ni,Al)复合涂层经真空烧结后,涂层均匀,比YSZ涂层致密。Al、Ni元素的加入,在界面处形成了一定厚度的过渡区。与YSZ涂层相比,YSZ/(Ni,Al)复合涂层与基体结合强度更高。YSZ/(Ni,Al)涂层的抗氯腐蚀与Ni和Ni_3Al有关。     

激光表面改性对熔盐环境下热障涂层相稳定性和微观结构的影响

目的改善Y_2O_3部分稳定ZrO_2(YSZ)热障涂层的抗熔盐腐蚀性能。方法采用脉冲Nd:YAG激光系统对大气等离子喷涂YSZ热障涂层进行激光表面改性,优化激光参数,将喷涂态以及激光改性涂层在700℃和1000℃的V_2O_5熔盐下进行4 h热腐蚀实验。采用XRD、SEM和EDS表征腐蚀前后喷涂态和激光改性涂层的物相成分、微观结构和化学成分,通过计算热腐蚀后涂层表面的单斜(m)ZrO_2含量,分析激光改性对涂层相稳定性的影响。结果涂层表面的激光改性层呈现致密柱状晶结构并有一些贯穿的垂直裂纹。与原始涂层一样,改性层呈现亚稳态(t′)四方相。改性涂层在700℃腐蚀4h后,腐蚀产物为ZrV_2O_7、YVO_4和少量m-ZrO_2;在1000℃腐蚀4h后,腐蚀产物为m-ZrO_2和YVO_4。对未改性的YSZ涂层进行相同条件下的熔盐热腐蚀,其腐蚀产物种类与改性涂层相同,但是m-ZrO_2含量更高,表明更多的t'相受熔盐腐蚀而分解。结论激光改性可提高YSZ涂层中t'相的稳定性,使得涂层具有更好的抗熔盐腐蚀性能。然而,熔盐易沿垂直裂纹在改性层中渗入,不利于涂层的长期稳定性。     

等离子喷涂YSZ/NiCrAlY涂层及抗熔融Al-Si腐蚀性能研究

热浸镀Al-Si合金涂层是一种高效的耐蚀技术。然而,其生产过程中与Al-Si熔液直接接触的部件存在严重的Al-Si熔蚀问题。采用大气等离子喷涂(APS)制备了YSZ/NiCrAlY涂层,研究了主气流量对YSZ(Y-Si-Zr)涂层微观组织结构、力学性能的影响规律、涂层的高温稳定性和耐Al-Si熔液腐蚀行为。结果表明,随着主气流量的提升,粒子熔滴的铺展均匀性、涂层致密度、力学性能均先升高后降低。在主气流量(Ar)为40L/min时,涂层显示出最佳的表面平整度、最大的致密度以及最优的力学性能。在1000℃热处理100 h后YSZ涂层的界面结构稳定,孔隙率下降,致密度显著提高。此外,将试样在700℃熔融Al-Si液腐蚀50h后,在YSZ涂层与熔融Al-Si合金的界面没有发现互反应区和元素互扩散现象,并且Al-Si熔液没有渗透进涂层内部而是被阻挡在涂层表面,表明APS制备YSZ/NiCrAlY涂层能够有效地抵抗Al-Si熔液腐蚀,可作为与高温Al-Si熔液接触部件的最有潜力的防护涂层之一。     

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。     

废感光胶片制备超细银粉的研究

采用Lu2O3/TiO2/Nb2O5作为ZrO2热障涂层材料的稳定剂,研究Lu2O3/TiO2/Nb2O5共稳定ZRO2(15％ LTNSZ)热障涂层材料在900℃、40 mol％V2O5+60 mol％Na2SO4熔盐中的热腐蚀行为.结果表明:8％YSZ热障涂层材料热腐蚀2h后,t相ZrO2全部相变为m相ZrO2,热腐蚀产物为尺寸较大的YVO4晶体;15％ LTNSZ热障涂层材料热腐蚀20 h后,m相ZrO2的比例仅为5.5％,热腐蚀产物为尺寸较小的LuVO4晶体.与Y2O3稳定剂相比,Lu2O3/TiO2/Nb2O5稳定剂使ZrO2在40 mol％ V2O5+60 mol％ Na2SO4熔盐中的抗热腐蚀性能提高1个量级以上.     

热障涂层(TBCs)高温氧化及熔盐腐蚀性能的研究

对ZrO2-8wt%Y2O3(YSZ)不同结构的热障涂层(TBCs)在1050℃、900℃进行氧化及腐蚀试验.结果表明,结合层中加入YSZ,增大了Ni16Cr8Al颗粒的表面积,氧化速率增加;结合层的氧化是TBCs性能下降的主要原因;在含硫的腐蚀环境下,面层中稳定组元Y2O3的分解析出,破坏了YSZ的稳定性,改变了面层的应力状态,导致TBCs早期破坏.     

几种等离子喷涂超合金系涂层在燃气轮机实况和实验室中经受协同高温损伤后的失效分析

为了给在严酷的高温条件下应用的先进的等离子喷涂涂层体系建立起比较合理的性能测评方法,对两种耐热涂层(TBC)体系进行了失效分析,一种是传统的YSZ系统,另一种是开发的CaO-SiO_2-ZrO_2(C_2S-CZ)系统。实验室的试验包括高温氧化试验、热腐蚀试验以及腐蚀应力(蠕变)断裂试验。描述了YSZ和C_2S-CZ涂层系统的剥蚀行为的特征,前一系统对陶瓷表面涂层的剥裂更敏感,这是因为沿着表面涂层与金属的MCrAlY衬底层间界面的优先氧化和(或)腐蚀而造成的;后一系统的表面涂层则更易与熔盐反应而导致成分和结构随着新相层的生成而变化。 根据实验室试验与燃气轮机实际工况下的实验,建立了失效分析模型,讨论了影响TBC系统剥蚀的各种因素中比较重要的一些因素,特别强调了同时考虑应力腐蚀影响的重要性。     

氧化锆基双陶瓷层热障涂层表层材料研究进展

双陶瓷层热障涂层是热障涂层技术的发展方向之一。等离子喷涂和电子束-物理气相沉积技术是目前最常用的双层涂层制备技术,但存在的固有缺点影响涂层性能的发挥。可实现非视线沉积的等离子-物理气相沉积技术效率高,能对涂层微观结构进行精准调控,发展潜力巨大。稀土氧化物掺杂ZrO2、A2B2O7型烧绿石和萤石结构化合物、钇铝石榴石、独居石结构的稀土磷酸盐、氧化铝等材料被作为表层陶瓷,分别与传统的6%~8%Y2O3部分稳定的ZrO2（(6~8)YSZ）层组合构成双陶瓷层,可有效降低涂层的热导率,极大地改善抗熔盐热腐蚀性能,提高耐热温度等。如YSZ/CeO2和TiO2共稳定的ZrO2双层涂层可大幅提高隔热性能,La2(Zr0.7Ce0.3)2O7能有效提高整个涂层的使用寿命,钇铝石榴石能阻隔氧渗入YSZ层并防止粘结层金属的氧化,GdPO4能与Na2SO4+V2O5熔盐反应形成稠密反应层并抑制熔盐的进一步渗入,纳米Al2O3可形成致密结构,并提高涂层的抗热腐蚀能力和抗高温氧化能力。但是,绝大部分材料的热膨胀系数较低、断裂韧性较差,限制了涂层整体性能的发挥。结合纳米技术和等离子-物理气相沉积等新的制备技术,改性修饰稀土锆酸盐等表层材料的热物理性能,引入稀土钽酸盐等热导率低、韧性强、阻氧性好的材料,被认为能提高双层涂层的隔热性能和使用寿命。     

热障涂层先进陶瓷材料研究进展

随着航空航天技术的不断发展,恶劣的工作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以降低基底表面温度。概述了传统氧化钇部分稳定氧化锆热障涂层的性能优势,包括优异的隔热性能、较高的热膨胀系数与断裂韧性。同时归纳了氧化钇部分稳定氧化锆热障涂层在高温环境下存在的问题,包括氧化锆相变与涂层烧结造成的过早失效。在此基础上,重点综述了近年来热障涂层先进陶瓷材料的研究进展,包括稀土陶瓷材料与自愈合材料,其中稀土陶瓷材料包括稀土掺杂氧化锆、成分掺杂与结构设计的稀土锆酸盐、稀土磷酸盐、3种不同结构的稀土钽酸盐、高熵稀土陶瓷材料以及稀土铌酸盐等,自愈合材料包括二硅化钼与碳化钛。针对各种热障涂层陶瓷材料,分别从热震寿命、热膨胀系数、热导率、耐腐蚀性、断裂韧性等方面进行了归纳,并总结了各材料现阶段发展的不足之处。最后展望了热障涂层材料的发展方向。     

稀土硅酸盐环境障涂层综述∗

硅基非氧化物陶瓷材料因其质量轻、强度高、韧性大等优点和其上的环境障涂层,广泛用于民用或军用飞机发动机的热端部件,但目前所用的传统环境障涂层保护效果并不理想。 因此对新发展的稀土硅酸盐环境障涂层进行深入研究,以使其能广泛用于高推重比发动机上具有重要意义。 稀土硅酸盐环境障涂层相较于传统环境障涂层,具有更好的隔热性、与基体更匹配的热膨胀系数(二硅酸镱)及优异的抗腐蚀性能,如稀土硅酸镱盐具有良好的抗水氧和抗熔盐腐蚀性能,这些性能能够有效提高硅基陶瓷及涂层在发动机恶劣环境下的使用寿命,目前已成为飞机的首选防护涂层材料,从而成为环境障涂层材料领域研究的热点。 从稀土硅酸盐环境涂层的主要应用研究背景、发展历程、制备方法、涂层性能、失效机理等方面系统阐述其各种特点,提出目前稀土硅酸盐环境障涂层易失效的多种原因,以及工艺制备和性能模拟测试方面的不足之处,为未来的涂层改进和研究发展指明了方向。     

航空发动机涡轮叶片热障涂层研究现状

热障涂层是一种可以有效保障航空发动机涡轮叶片正常工作，同时显著提高其工作效率和服役时间的表面防护技术。热障涂层的性能在很大程度上影响叶片的承温和抗腐蚀能力，进而间接影响航空发动机的服役性能。涂层性能主要受其结构和材料2个方面的影响。介绍了涂层结构的优缺点和研究进展，当前常见的结构形式有双层结构、多层结构和梯度结构；介绍了粘结层材料的研究进展；对陶瓷层材料的研究进展进行了详述，如YSZ的掺杂改性、A₂B₂O₇型化合物、钙钛矿结构材料以及近年来兴起的几种高熵陶瓷材料，其中高熵陶瓷材料包括：高熵稀土钽酸盐、铝酸盐、锆/铪酸盐、磷酸盐、硅酸盐以及高熵稀土氧化物，分别从热导率、热膨胀系数、断裂韧性、热循环寿命和抗腐蚀能力等方面对其进行介绍；概述了热障涂层常见的几种失效形式如：TGO失效、CMAS腐蚀以及高温烧结，并且对其发生机理进行简要的介绍；展望了热障涂层未来的发展趋势和方向。     

Microscopic observation of degradation behavior in yttria and ceria stabilized zirconia thermal barrier coatings under hot corrosion

In this study, the effects of yttria stabilizer replacement with ceria on hot corrosion properties of thermal barrier coatings (TBCs) have been investigated in microscopic respects. Yttria stabilized zirconia (YSZ; ZrO₂–8 wt.%Y₂O₃) and ceria stabilized zirconia (CSZ; ZrO₂–25 wt.%CeO₂–2.5 wt.%Y₂O₃) thermal barrier coatings (TBCs) were fabricated to have similar microstructures, followed by hot corrosion tests with a NaVO₃ salt at 900 °C. Very dense YSZ TBCs with porosities below 4% were also fabricated in order to investigate the effects of coating defects on hot corrosion behavior. Results revealed that CSZ TBCs were better resistant to hot corrosion environment than YSZ TBCs in terms of phase stability and overall damage by the salt. From studies on microscopic failure behavior, it was found that YSZ and CSZ TBCs showed a different degradation behavior and that coating defects, such as pores, microcracks and splat boundaries, play important roles as effective paths for the salt in hot corrosion. From the present results, a possible microscopic degradation mechanism and effects of coating microstructures for zirconia-based TBCs under hot corrosion are discussed.     

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。     

NiAl/NiCoCrAlY/8YSZ复合喷涂层的微观结构与性能研究

目的提高金属/陶瓷隔热涂层体系在海洋环境下的耐腐蚀性能。方法利用冷喷涂方法制备NiAl复合打底层和Ni CoCrAlY粘结层,与等离子喷涂制备的8YSZ陶瓷层构成适用于海洋环境的多层结构耐蚀隔热涂层体系。利用FE-SEM分别观察喷涂态粘结层和陶瓷层的表面、横截面形貌,通过EDS分析涂层元素分布;利用XRD分析表征涂层的物相组成;借助万能材料试验机,采用拉伸法测试涂层结合强度;利用热循环试验和焰流冲刷试验测试涂层的耐高温性能。结果微观分析表明,冷喷涂制备的NiAl复合打底层和Ni CoCrAlY粘结层形貌致密,涂层材料未发生明显氧化,颗粒变形程度不一,粘结层与基体间的结合强度约为18.4 MPa,粘结层与8YSZ陶瓷层界面结合紧密。陶瓷层物相结构和成分稳定,涂层经12次热震循环和1000个周期的高温焰流冲击后,表面未出现开裂、起皮和脱落。结论采用冷喷涂法和等离子喷涂法联合制备的耐蚀隔热复合涂层体系具备良好的耐热性和耐腐蚀性。冷喷涂制备的金属涂层结构致密,孔隙率低,与陶瓷层结合良好,能够有效提高涂层体系在腐蚀性环境中的耐蚀性能。NiAl复合涂层可以缓解Ni CoCrAlY粘结层和铝合金基材间的热匹配问题,增强涂层的结合性能。     

晶须增韧等离子喷涂陶瓷涂层的可控制备与力学性能研究

针对新一代航空发动机和重型燃气轮机对长寿命、高韧性热障涂层的迫切需求,本文通过喷雾造粒法制备了长径比为10的ZrO2晶须复合YSZ喷涂粉末,采用SAPS技术制备了YSZ/ZrO2晶须増韧陶瓷复合涂层,对复合涂层的工艺参数进行优化,研究了熔融指数对陶瓷复合涂层微观结构的影响规律;通过狭缝法收集单个摊片的实验,阐明了ZrO2晶须增韧YSZ陶瓷涂层的形成机理,建立了晶须増韧陶瓷涂层的微观结构与热力学性能的内在关系。基于晶须弥散分布于复合涂层未熔颗粒区的特征,相比纳米结构YSZ涂层,YSZ/ZrO2晶须増韧陶瓷复合涂层的断裂韧性与热循环寿命均提高一倍。     

Ceramic Top Coats of Plasma-Sprayed Thermal Barrier Coatings: Materials,Processes, and Properties

The ceramic top coat has a major influence on the performance of the thermal barrier coating systems (TBCs). Yttria-partially-stabilized zirconia (YSZ) is the top coat material frequently used, and the major deposition processes of the YSZ top coat are atmospheric plasma spraying and electron beam physical vapor deposition. Recently, also new thermal spray processes such as suspension plasma spraying or plasma spray-physical vapor deposition have been intensively investigated for TBC top coat deposition. These new processes and particularly the different coating microstructures that can be deposited with them will be reviewed in this article. Furthermore, the properties and the intrinsic–extrinsic degradation mechanisms of the YSZ will be discussed. Following the TBC deposition processes and standard YSZ material, alternative ceramic materials such as perovskites and hexaaluminates will be summarized, while properties of pyrochlores with regard to their crystal structure will be discussed more in detail. The merits of the pyrochlores such as good CMAS resistance as well as their weaknesses, e.g., low fracture toughness, processability issues, will be outlined.     

等离子喷涂La2(Zr0.7Ce0.3)2O7热障涂层的抗热震性能

采用等离子喷涂制备了La₂(Zr_0.7Ce_0.3)₂O₇（LZ7C3）热障涂层,并对涂层的微观组织、相结构、成分、相稳定性、涂层热导率以及抗热震性能进行了研究.结果表明,LZ7C3涂层由单相烧绿石结构物质组成,高温稳定性较好;涂层的热导率较块材下降约20%,这是由于涂层具有较高的孔隙率所致:涂层在不同温度范围的热震寿命和失效机制不同,在室温至约1000℃间的热震寿命为116 cyc,涂层失效方式以片状剥落为主:在室温至1100℃间的热震寿命为53 cyc,涂层失效方式为片状剥落和层状撕裂;在室温至1200℃间的热震寿命为3 cyc,涂层失效方式以层状撕裂为主.