纳米YSZ热障涂层隔热行为研究

通过测试等离子喷涂纳米氧化钇稳定氧化锆热障涂层的热扩散率、比热容及密度,得出涂层的热导率,借以评价涂层的隔热效果。借助X射线衍射和扫描电镜测定涂层的晶粒度和微观形貌。结果表明,从室温至900℃涂层的热导率范围为0.5565～0.6479W/(m×K),涂层中存在大量未完全熔化的纳米颗粒和小孔径孔隙,对降低涂层的热导率,提高涂层的隔热性能极为有利。     

氧化物掺杂YSZ热障涂层的最新研究进展

随着先进航空发动机涡轮叶片热障涂层服役温度、服役寿命以及隔热性能的不断提升,研制温度高、使用寿命长和隔热性能优异的热障涂层材料,已成为国际高温防护涂层领域的研究热点。氧化物掺杂YSZ涂层因其良好的热学性能,成为最有可能替代YSZ涂层在航空发动机热端部件表面获得应用的热障涂层材料。综述了氧化物掺杂YSZ热障涂层研究取得的成果和存在的问题,重点阐述了不同氧化物掺杂对YSZ涂层性能的影响机理,并简述了目前国内外对该类涂层相关制备技术的研究进展。提出未来关于热障涂层的研究,应在进一步优化设计多元氧化物掺杂改性YSZ涂层的基础上,结合计算模拟,对多元氧化物掺杂的耦合作用机制进行深入剖析,同时结合新一代高温合金的性质,发展高温合金-粘结层-陶瓷层相匹配的新型热障涂层体系,从热力学-动力学两个方面考察其使役行为和失效机制,最终促进该类涂层的实际应用。     

阴极等离子电解大面积沉积弥散Pt微粒增韧8YSZ热障涂层

采用大气等离子喷涂(APS)在高温合金表面制备一层Ni Co Cr Al Y粘结层,然后采用阴极等离子电解沉积(CPED)制备一层弥散Pt微粒的8YSZ涂层。通过在电解液中加入陶瓷微珠,促使阴极表面发生均匀的等离子微弧放电,实现了在大面积样品上沉积8YSZ涂层。获得的涂层厚度到达120μm,具有多孔结构,由立方相和四方相8YSZ以及Pt组成。1100℃空气中循环氧化的结果表明,随着涂层中Pt含量的的增加,涂层的抗高温氧化和抗剥落性能得到明显提高。Pt微粒对8YSZ涂层的增韧作用主要为:Pt微粒塑性变形吸收裂纹扩展的能量,钝化裂纹尖端,减小裂纹尺寸,提高涂层的临界断裂应力。     

等离子喷涂-物理气相沉积7YSZ热障涂层的高温氧化行为

以纳米团聚烧结的ZrO2-7%Y2O3(7YSZ)粉末为原料,采用等离子喷涂-物理气相沉积(PS-PVD)工艺及大气等离子喷涂工艺(APS)在镍基高温合金表面制备了柱状热障涂层(C-TBC)和层状热障涂层(L-TBC),并进行1 000℃的恒温氧化试验,采用X射线衍射仪、扫描电镜、电子探针、能谱分析等检测手段表征热障涂层的微观结构和高温氧化行为。结果表明:C-TBC涂层在氧化初始阶段快速生成TGO层,氧化50h后TGO层生长速率减慢,氧化动力学曲线符合五次方抛物线规律,而L-TBC涂层氧化动力学曲线符合常规二次方抛物线规律。C-TBC涂层氧化速度快于L-TBC涂层,但抗氧化剥落性能优于L-TBC涂层。     

等离子喷涂YSZ热障涂层的工艺研究

目的 优化大气等离子喷涂工艺,提高热障涂层的耐腐蚀性能与热循环寿命。方法 设计正交试验,制备出不同工艺参数的YSZ涂层。用共聚焦显微镜、X射线衍射仪、能谱分析仪对涂层的表面粗糙度、表面与截面形貌、元素组成与分布进行表征,用Image J软件分析涂层的孔隙。根据试验数据优化工艺参数,对比分析工艺优化前后涂层的耐腐蚀性与热循环寿命。对涂层进行热震水淬试验,分析涂层的热震寿命与失效行为。结果 不同工艺下制备的涂层在孔隙、耐熔盐腐蚀与热循环寿命方面存在明显差异,工艺参数W3X3Y1Z3组合为优化出的喷涂工艺。采用优化后工艺所制备的涂层TBC-1,孔隙率为9.65%,平均孔隙尺寸为6.18 μm²,未观察到明显的大孔与裂纹。涂层表面粗糙度为3.48 μm,粉末熔化状态较好。热腐蚀之后,涂层截面熔盐元素V的质量分数为2.03%,无熔盐积聚现象。涂层经20次热腐蚀与热冲击联合试验后,质量损失率为0.25%,表面完整,无明显剥落。TBC-1在热震试验中的失效形式为涂层大面积剥落,失效次数为172次。结论 等离子喷涂的工艺参数对涂层的综合性能有重要影响,涂层中较大的裂纹和孔隙可作为熔盐的渗透途径,加速涂层的腐蚀,同时使热循环寿命变差。经优化后工艺制备的涂层,内部孔隙分布均匀,且平均孔隙尺寸较小,表现出良好的耐腐蚀性与热循环寿命。涂层中热生长氧化物(TGO)的生长应力、陶瓷层与黏结层的热失配应力是涂层中裂纹扩展和涂层失效的重要原因。     

热喷涂NiCoCrAlYTa+7YSZ热障涂层颗粒沉积行为

分别采用低压等离子喷涂和大气等离子喷涂在K4169基体上收集了NiCoCrAlYTa颗粒沉积物及涂层,并对颗粒沉积物的形貌及涂层性能进行了观察分析。结果表明:低压等离子喷涂收集到的单个NiCoCrAlYTa扁平颗粒主要呈圆盘状,涂层致密且氧含量低。而大气等离子喷涂收集到的扁平颗粒主要呈溅射状,涂层孔隙率和氧含量均较高。又在经镜面抛光的NiCoCrAlYTa涂层和K4169基体上分别收集了7YSZ颗粒沉积物,并对其沉积形貌进行了观察分析,结果表明:在K4169基体上收集到的7YSZ颗粒沉积物主要呈圆盘状,表面存在大量的网状微裂纹及宏观环状贯通裂纹。在镜面抛光的NiCoCrAlYTa涂层表面收集的7YSZ颗粒沉积物,周围有少量的指状溅射物,中心部存在一定数量的网状微裂纹,但宏观环状裂纹消失。     

8YSZ热障涂层结构设计及其结合强度变化规律

目的 探究不同厚度的黏结层和陶瓷层对8YSZ热障涂层结合强度的变化规律。方法 采用大气等离子喷涂技术(APS)在Ti-6Al-4V合金基体表面分别制备了不同厚度的黏结层和陶瓷层等6种双层结构涂层。利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)和X射线荧光分析仪(XRF)等检测手段对喷涂粉末和涂层的相组成、微观结构及化学成分变化进行表征。借助万能材料试验机分别对6种不同厚度涂层的结合强度进行测量和评估。结果 不同厚度的8YSZ陶瓷粉末在喷涂过程中主要从单斜相(M)向四方相(T)转变。此外,不同厚度的热障涂层都呈现出典型的层状结构,涂层表面存在着完全熔融态、半熔融态和未熔态等3种复杂状态,且都存在不同程度的裂纹和孔隙。涂层结合强度随黏结层厚度的增加会有些许增大,而随陶瓷层厚度的增加逐渐下降,且陶瓷层厚度越大结合强度下降得越缓慢。在所有涂层试样中,当黏结层最厚且陶瓷层最薄时涂层结合强度最大,超过29.7 MPa;而当黏结层最薄陶瓷层最厚时涂层结合强度最低。 结论 8YSZ热障涂层的黏结层和陶瓷层厚度变化对涂层的物相组成以及化学成分无明显影响,而对涂层结合强度以及断裂方式产生显著影响。     

CMAS渗入对等离子喷涂YSZ热障涂层形貌的影响*

研究了等离子喷涂不同结构YSZ涂层在CMAS渗入作用下的形貌演变规律。对带有模拟CMAS沉积物的YSZ涂层进行高温热处理试验,并在低CMAS输送量条件下对YSZ涂层进行冲刷试验,试验后涂层均出现了严重的层间剥离失效。通过试验前后涂层的截面形貌及Raman光谱分析,结果表明:涂层的显微形貌变化主要表现在高温下熔融态CMAS沿涂层表面微裂纹和孔隙渗入内部,引起YSZ陶瓷层孔隙收缩、表层致密化,同时在涂层表面粘附的CMAS耦合作用下,YSZ涂层表层中产生大量横向微裂纹和明显分层;另外,YSZ涂层表层在CMAS中溶解并导致YSZ加速相变失稳也是影响涂层形貌变化和过快失效的因素之一。CMAS沉积层厚度增加时,同等条件下CMAS对涂层失效的影响会加剧。     

等离子喷涂常规和纳米8YSZ热障涂层的性能

分别采用了常规微米和纳米8YSZ粉末使用大气等离子喷涂系统进行热障涂层的制备,研究了涂层的结合强度、微观结构、常温热导率、折弯性能,试验结果表明:纳米涂层的结合强度要低于常规8YSZ涂层,但涂层的热导率、弯曲性能均优于常规8YSZ涂层.     

Inconel751合金长期时效过程中γ＇析出相的长大行为

对经过标准热处理的Inconel 751合金，在700℃℃和850进行了长期时效处理。对长期时效处理后的合金组织进行了观察，采用Thermo-calc软件对合金γ’相的析出进行了热力学验证计算。结果表明，Incone l751合金在700℃时效时，γ’相长大较为缓慢，而在850℃时效时γ’相迅速长大；随着时效温度的升高和保温时间的延长，合金中小颗粒γ’相数量减少，单位面积内的γ’颗粒数目减少，大γ’颗粒数目增加，即发生了Ostwald熟化；Inconel 751合金中γ相主要为Ni3（Al，Ti），在700℃和850℃时效过程中，γ’颗粒长大受Al和Ti扩散控制。     

不同厚度8YSZ热障涂层的结构及性能表征

目的探究厚度变化对8YSZ热障涂层结构、力学性能以及抗热震性能的影响。方法通过超音速火焰喷涂技术(HVOF)和大气等离子喷涂技术(APS)分别制备了Ni CoCrAlTaY粘结层和厚度为500μm、1.0mm、1.5mm的8YSZ陶瓷涂层,采用扫描电子显微镜(SEM)、光学显微镜和X射线衍射仪(XRD)对喷涂粉末和涂层的形貌、物相进行了表征,借助显微硬度计和万能材料试验机分别考察了涂层的硬度和结合强度,最后采用水淬法对涂层的抗热震性能进行了测试。结果不同厚度的8YSZ涂层均由非平衡的四方相(t′-YSZ)组成,且断面呈现出明显的层状结构。随着厚度的增加,涂层中逐渐产生了明显的网状纵向裂纹和边缘界面裂纹。涂层的表面和截面显微硬度都不随厚度的增加而发生显著变化,并且所制备的涂层在整个截面上的显微硬度都比较均匀。涂层的结合强度随着涂层厚度的增加而显著降低。热震试验过程中,三种厚度涂层皆以界面开裂的形式失效,且厚度越大的涂层热震寿命越短。结论 8YSZ热障涂层的厚度变化对其微观形貌、结合强度以及抗热震性能皆有显著影响,而对涂层的物相组成以及显微硬度无明显影响。     

等离子喷涂8YSZ涂层在铝熔体作用下热冲击行为的数值模拟

目的定量理解等离子喷涂8YSZ热障涂层浸入铝熔体中的热冲击行为。方法基于热-力耦合计算方法有限元数值模拟,研究等离子喷涂8YSZ热障涂层浸入铝熔体时涂层中的瞬态温度场和瞬态应力场,以及涂层预热温度、陶瓷层厚度对应力分布的影响。结果温度场计算表明,在涂层浸入铝熔体0.1 s时,涂层表面就达到了铝熔体温度。随着涂层浸入铝熔体的时间增加,涂层内的温度分布逐渐由指数分布转变为近线性分布,而且涂层内的温度梯度也随着时间的增加而减小。相应涂层中的应力在相当短的时间内就达到了最大值,并随着加热时间的增加,最大应力值逐渐减小。涂层预热温度越高,在陶瓷层中的轴向应力和环向应力均越小,预热温度对轴向应力的影响更加明显。随着陶瓷层厚度的增加,陶瓷层内的轴向应力和环向应力值均增加,粘结层内的轴向应力和环向应力值均减小。结论对热障涂层进行预热处理可以有效降低涂层中的热应力值。涂层厚度增加,陶瓷层内应力随之增加,粘结层内应力随之减小,且陶瓷层厚度对粘结层中的应力影响更加明显。     

航空发动机涡轮叶片热障涂层失效分析研究

采用扫描电镜及能谱对航空发动机涡轮叶片热障涂层进行失效分析,将叶片划分为9个区域,发现其前缘区域由于涂层的使用温度高、粘结层氧化、尖晶石等大量生长,导致在TGO/陶瓷层界面处产生大量的生长应力,呈TGO/Top coat界面分层失效。后缘区域呈粘结层/基体分层分裂失效,同时所有区域都有CMAS腐蚀。CMAS附着在涂层表面,沿着纵向裂纹等缺陷渗透到涂层内部,引发涂层产生横向分层,并导致涂层腐蚀剥落。     

Impedance Analysis of 7YSZ Thermal Barrier Coatings During High-Temperature Oxidation

ZrO₂-7 wt.%Y₂O₃ (7YSZ) thermal barrier coatings (TBCs) were prepared by atmospheric plasma spraying. High-temperature oxidation of 7YSZ TBCs was accomplished at 950 °C and characterized by impedance spectroscopy and scanning electron microscopy with energy-dispersive spectrometry. The results indicated that the thermally grown oxide (TGO) mainly contained alumina. The increase of the thickness of the TGO layer appeared to follow a parabolic law. Impedance analysis demonstrated that the resistance of the TGO increased with increasing oxidation time, also following a parabolic law, and that characterization of the TGO thickness based on fitting an equivalent circuit to its measured resistance is feasible. The YSZ grain-boundary resistance increased due to increasing cracks within the coating for oxidation time less than 50 h. However, beyond 150 h, the YSZ grain-boundary resistance slightly decreased, mainly due to sintering of the coating during the oxidation process.     

Oxidation and Degradation of EB–PVD Thermal–Barrier Coatings

Thermal–barrier coatings (TBCs) consist of a magnetron-sputtered Ni–30Cr–12Al–0.3Y (wt.%) bond coat to protect the substrate superalloy from oxidation/hot corrosion and an electron-beam physical-vapor deposited (EB–PVD) 7 wt.% yttria partially stabilized zirconia (YPSZ) top coat. The thermal cyclic life of the TBC system was assessed by furnace cycling at 1050°C. The oxidation kinetics were evaluated by thermogravimetric analysis (TGA) at 900, 1000, and 1100°C for up to 100 hr. The results showed that the weight gain of the specimens at 1100°C was the smallest in the initial 20 hr, and the oxide scale formed on the sputtered Ni–Cr–Al–Y bond coat is only Al₂O₃ at the early stage of oxidation. With aluminum depletion in the bond coat, NiO, Ni(Cr,Al)₂O₄, and other spinel formed near the bond coat. During thermal cycling, microcracks were initiated preferentially in the YPSZ top coat along columnar grain boundaries and then extended through and along the top coat. The growth stress of TGO added to the thermal stress imposed by cycling, lead to the separation at the bond coat–TGO interface. The ceramic top coat spalled with the oxide scale still adhering to the YPSZ after specimens had been cycled at 1050°C for 300 cycles. The failure mode of the EB–PVD ZrO₂–7 wt.% Y₂O₃ sputtered Ni–Cr–Al–Y thermal-barrier coating was spallation at the bond coat–TGO interface.     

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。