超音速火焰喷涂TiB_2-40Ni金属陶瓷涂层及其抗热震性能

热镀锌过程中,锌锅内各零件涂层会受到冷热冲击作用易失效。采用超音速喷涂工艺在不同丙烷流量下,在Q235低碳钢表面制备了3种Ti B_2-40Ni金属陶瓷涂层,通过水淬法测试涂层的抗热震性能。通过扫描电镜分析了3种涂层在不同温度下热震后的表面和截面形貌,研究了涂层的抗热震性能。结果表明:在600℃时,随着热震次数的增加,3种涂层中裂纹扩展均变严重,并且以丙烷流量为30 L/min所得涂层的抗热震性能最差,丙烷流量为36 L/min所得涂层的最好;在800℃热震条件下,3种涂层失效较快,并且在涂层表面形成了较多的交叉裂纹,涂层中裂纹扩展严重,导致涂层与基体界面处出现腐蚀现象。     

火焰喷涂Al2O3/TiO2-NiCrBSi阶梯热障涂层的热冲击失效分析

研究了氧乙炔火焰喷涂制备的Ａl2O3/TiO2-NiCrBSi阶梯热障涂层在水淬热冲击条件下的失效行为,结果表明,涂层的抗热层冲击能力随梯度成分间隔的减小而增强,其失效是由于涂层层间裂纹和层内裂纹和层内裂纹共同作用的结果,对于成分梯度化较好的涂层,层内裂纹扩展导致网状裂纹是失效的主要原因,层间成分间隔大,失效则是以层间裂 的快速扩展而导致涂层整体剥落的主要原因,当成分间隔介于以下二者时,层内裂纹和层间裂纹共同作用,导致涂层以局部脱或剥形式失效。     

等离子弧喷涂Al2O3陶瓷涂层低温抗热震性能的研究

为研究等离子弧喷涂Al2O3陶瓷涂层的低温抗热震性能,对不同结构的涂层进行了600 ℃低温热震试验,并分析、探讨了涂层的热震失效机制.结果表明,Al2O3陶瓷涂层低温下热震失效是由层间裂纹或层内裂纹引起的.对于单一Al2O3涂层,涂层与基体的界面是最薄弱处,层间裂纹的萌生及扩展导致涂层自界面处脱落;对于有FeCrAl金属过渡层的涂层,层内粒子间的结合是最薄弱处,层内片层间裂纹的萌生、扩展导致涂层局部脱落.在陶瓷工作层与基体间增加金属过渡层可有效地缓和涂层界面处的热应力,阻碍裂纹的形成及扩展,从而提高涂层的抗热震性能.     

超音速火焰喷涂NiCr-Cr_3C_2-BaF_2·CaF_2/NiCr-Cr_3C_2涂层的制备及抗热震性能

本文采用超音速火焰喷涂方法(HVOF)制备了NiCr-Cr3C2-BaF2·CaF2/NiCr-Cr3C2和NiCr-Cr3C2-BaF2·CaF2两种涂层,对两种涂层试样进行了热冲击试验,研究了涂层的抗热震性能,并探讨了涂层的热疲劳特性。结果表明:NiCr-Cr3C2-BaF2·CaF2/NiCr-Cr3C2涂层热震75次后仍保持表面平整,相同条件下的NiCr-Cr3C2-BaF2·CaF2涂层热震5次即剥落;NiCr-Cr3C2中间层的引入缓和了涂层内应力,阻碍了热疲劳裂纹形成和扩展。在热冲击试验中基体与中间层之间形成的扩散层可吸收裂纹尖端应力,阻止裂纹进一步失稳扩展。     

基于第一抗热震因子的BN纳米管/Si_3N_4复合材料抗热震性能评价

利用Kingery抗热震断裂理论构建了BN纳米管(BNNTs)强韧化陶瓷复合材料的第一抗热震因子模型,通过真空热压烧结法制备了四组BNNTs含量分别为0.5wt%、1.0wt%、1.5wt%和2.0wt%的BNNTs/Si_3N_4复合材料,并采用水浴淬冷法和三点弯曲法测试了复合材料的抗热震性能(震后弯曲强度和临界热震断裂温差)。测试结果验证了在急剧加热和急剧冷却条件下第一抗热震因子模型的正确性。结果表明:添加BNNTs使BNNTs/Si_3N_4复合材料第一抗热震因子增大,抗热震性能提升。分布在晶界上的BNNTs起到裂纹钉扎、桥联和裂纹偏转作用,增加了裂纹扩展的阻力;纳米管孔隙的存在改变了裂纹扩展路径,提高了BNNTs/Si_3N_4的断裂韧度,从而有效提高了其抗热震断裂能力。     

镀铝表面改性7YSZ纳米热障涂层热震性能分析

为提高7YSZ纳米热障涂层的热震性能,实验中采用超音速火焰喷涂(HVOF)在涡轮叶片模拟工件上制备了粘结层NiCrCrAlYTa,再使用大气等离子喷涂(APS)在粘结层上制备了7YSZ纳米陶瓷层。采用磁控溅射在7YSZ热障涂层样品表面镀铝,并在不同压力下(200、250、300 Pa)对镀铝样品进行热处理表面改性。对喷涂态样品和镀铝改性后样品进行水淬热震实验,1050℃保温10 min+水冷5 min为一个热循环,观察热障涂层镀铝改性前后样品在水淬热循环过程中形貌和结构演变。实验结果表明,镀铝改性后样品表面存在铝薄膜蒸发、凝固后形成的疏松纳米Al晶粒表层以及由Al和ZrO_2原位反应形成的致密α-Al_2O_3底层。在镀铝样品热处理过程中,随着压力升高,疏松层致密度逐渐增加。不同热处理压力下镀铝表面改性后样品经过73次水淬热循环后剥落面积均小于喷涂态样品,显示出良好的抗热震性。     

纯铜表面火焰喷涂陶瓷/渗铝复合层及其性能

为提高铜部件的使用寿命,采用火焰涂技术,在铜基体表面先后喷涂中间铝层和表层陶瓷涂层,经加热扩散处理,制备成铜基陶瓷/渗铝复合涂层。用扫描电镜、X射线衍射仪、热震试验、腐蚀失重、耐磨检测等对复合涂层进行分析、研究。结果表明:复合涂层中有Cu1.05Zn0.95,Cu2TiZn等新相生成;复合涂层抗热震性能较单纯陶瓷涂层好,经920℃加热扩散处理的复合涂层热震次数达40次;复合涂层显著提高了纯铜基体的耐蚀性和耐磨性。     

镀铝表面改性7YSZ纳米热障涂层热震性能分

为提高7YSZ纳米热障涂层的热震性能, 实验中采用超音速火焰喷涂(HVOF)在涡轮叶片模拟工件上制备了粘结层NiCrCrAlYTa, 再使用大气等离子喷涂(APS)在粘结层上制备了7YSZ纳米陶瓷层。采用磁控溅射在7YSZ热障涂层样品表面镀铝, 并在不同压力下(200、250、300 Pa)对镀铝样品进行热处理表面改性。对喷涂态样品和镀铝改性后样品进行水淬热震实验, 1050℃保温10 min+水冷5 min为一个热循环, 观察热障涂层镀铝改性前后样品在水淬热循环过程中形貌和结构演变。实验结果表明, 镀铝改性后样品表面存在铝薄膜蒸发、凝固后形成的疏松纳米Al晶粒表层以及由Al和ZrO₂原位反应形成的致密α-Al₂O₃底层。在镀铝样品热处理过程中, 随着压力升高, 疏松层致密度逐渐增加。不同热处理压力下镀铝表面改性后样品经过73次水淬热循环后剥落面积均小于喷涂态样品, 显示出良好的抗热震性。     

常规和纳米ZrO_2-7%Y_2O_3等离子喷涂热障层及其激光重熔后的抗热震性能

为了探讨激光重熔对等离子喷涂常规和纳米热障涂层(TBCs)的影响,采用等离子喷涂工艺在γ-TiAl合金表面制备了常规和纳米ZrO2-7%Y2O3TBCs,并对其进行激光重熔处理,研究了等离子喷涂常规TBCs、激光重熔-等离子喷涂常规TBCs、等离子喷涂纳米TBCs及激光重熔-等离子喷涂纳米TBCs 4种涂层在850℃下的抗热震性能。结果表明:4种TBCs热震失效次数依次为73,118,146,163次,相应的热震破坏形式分别为整体剥落、局部剥落、边角剥落和局部剥落;纳米结构有利于提高涂层的抗热震性能;激光重熔在一定程度上改善了等离子喷涂层的抗热震性能。     

强流脉冲电子束粘结层表面改性对热障涂层热震及残余应力的影响

采用等离子喷涂技术在GH4169镍基高温合金表面制备CoCrAlY粘结层,利用电子束蒸发镀膜在CoCrAlY表面蒸镀纳米铝膜并使用强流脉冲电子束熔敷纳米铝膜进行表面改性,使用APS技术在CoCrAlY表面沉积陶瓷层制备改性热障涂层。对粘结层蒸镀铝膜表面改性涂层和普通涂层分别进行热震实验、结合强度测试和残余应力分析。实验发现,在1 050 ℃高温加热后10 ℃水淬的冷热循环条件下,改性涂层的抗热震性能优于普通涂层;热震过程中改性涂层和普通涂层热生长氧化物内产生的残余应力均为压应力,且随热震次数的增加而增大,改性涂层热生长氧化物内残余压应力增长速度小于普通涂层。拉伸结果显示,普通涂层的断裂属于混合断裂,而改性涂层断裂基本发生在陶瓷层和薄膜胶界面,未发现层间断裂。改性涂层结合强度优于普通涂层。实验结果表明,采用电子束蒸发镀膜和强流脉冲电子束技术相结合对粘结层进行熔敷铝膜的表面改性处理,可以显著提高热障涂层冷热循环服役寿命。     

电子束沉积SiC/ZrO2热防护层的结构优化及其抗热震性能

高性能辐射热防护层是高超声速飞行器金属热防护系统的重要组成部分。为获得高性能的热防护层,利用L5 EB-PVD电子束物理气相沉积设备在Haynes 214镍基合金表面沉积了SiC/ZrO2防护层,测试了其在热循环条件下的抗热震性能;通过分析其沉积温度及厚度对残余热应力的影响,确定了热防护层的沉积工艺参数。结果表明:热防护层在800℃和900℃循环80次后未出现明显的宏观裂纹;1000℃循环60次后,SiC表面层应力集中区出现裂纹,在交变热应力作用下,裂纹不断扩展形成网状龟裂纹,最终导致热防护层剥落;热膨胀系数不匹配导致热防护层在急冷急热热震过程中产生热应力是导致其失效的主要原因。     

圆柱基体热障涂层热冲击下失效的瞬态应力分析

用等离子喷涂方法在合金圆柱体上制备了热障涂层,并用水冷的方法进行了热冲击实验,试样的失效现象为轴向的开裂和剥落.利用有限元分析工具对热障涂层的热冲击进行模拟,通过对涂层内部应力随时间分布的分析发现:热冲击过程中陶瓷层表面的周向应力随着时间由拉转变为压,冷却初期陶瓷层的周向拉应力值较大,超过了陶瓷层的抗拉强度,因而淬冷初期的周向应力是导致轴向裂纹萌发的主要原因;陶瓷层与粘结层接触面上的径向拉应力与粘结层的氧化生长引起界面开裂;轴向裂纹和界面开裂共同导致陶瓷层的剥落.     

具有微孔洞结构陶瓷材料热冲击实验研究

对微孔洞体积含量分别为5％（密实材料）,10％,20％和30％（微孔洞结构材料）的四种氧化铝陶瓷材料通过水冷却的实验法进行了热冲击实验。实验结果表明无论从裂纹的起始模式,还是裂纹扩展程度,都表明具有微孔洞结构的陶瓷材料比其对应的密实材料有着较好的抗热冲击性能。     

NiCoCrAIY和NiCr粘接层抗热震性能的对比

为了提高GH907合金的抗高温和抗热腐蚀性能,利用低压等离子喷涂技术在其表面制备了NiCoCrAlY 粘接层和NiCr粘接层,并对2种粘接层的抗热震性能进行了研究.结果表明,NiCoCrAIY粘接层和NiCr粘接层经过10次热震后,表面都有裂纹产生,且NiCoCrAlY粘接层的裂纹较NiCr粘接层的粗大;在横截面上Ni...     

热震中7YSZ热障涂层结构演变

采用低温超音速等离子喷涂(LT-HVOF)在镍基高温合金基体上制备了NiCoCrAlYTa粘结层, 使用大气等离子喷涂(APS)在粘结层上`制备了7wt%Y₂O₃-ZrO₂ (7YSZ) 陶瓷层。基于动态试验即热震实验研究了粘结层的扩散氧化机制, 探讨了陶瓷层的烧结及相变过程并观察了涂层的结构演变。实验结果表明: 动态热循环下随着热震次数的增加, 粘结层组元扩散氧化形成热生长氧化物(TGO)且厚度逐渐增加。此外, 粘结层组元在温度梯度下沿陶瓷层内部裂纹向高温区扩散, 最终在陶瓷层表面裂纹区域出现大量的金属氧化物, 同时粘结层组元的扩散有助于陶瓷层的烧结, 导致其显微硬度逐渐增大, 而粘结层由于Kirkendall效应, 其内部出现大量的孔洞导致其显微硬度逐渐降低。另外, 陶瓷层在相变及热循环应力的作用下表面出现了大尺度的宏观裂纹。     

界面具有垂直裂纹的热障涂层的失效模拟

采用有限元分析软件ANSYS构造了一个在热生长氧化层（TGO）与陶瓷层界面具有一个垂直裂纹的纳米结构热障涂层的有限元模型。并计算了在热震过程中裂纹处的应力分布图,及裂纹尖端的应力场强度因子K1变化图。计算结果表明：裂纹处存在应力集中现象,且裂纹尖端的应力场强度因子K1在热障涂层热循环的冷却过程中随着时间的延长而减小,且在冷却最开始阶段,温度梯度变化最大,K1值也变化最大,裂纹在冷却的初始具有最大的扩展可能性。且涂层最有可能发生开裂失效。     

ZrO2-Ni功能梯度材料的热冲击与热疲劳行为

通过抗热震参数分析和热循环试验研究了ZrO2-Ni功能梯度材料（FGM）的热冲击与热疲劳行为及其影响因素。结果表明,ZrO2-Ni FGM热热震参数呈梯度分布,ZrO2侧抗热冲击断裂能力强而富Ni区热疲劳抗力高。其热震破坏符合热疲劳损伤机理,裂纹的准静态扩展为其控制因素。热疲劳裂纹在梯度层内以微孔聚集、连接方式萌生和扩展,而在梯度层间无横向贯穿裂纹,克服了传统陶瓷／金属结合体的界面热应力剥离问题。     

Features of fatigue crack growth due to repeated thermal shock

Abstract Thermal shock loading, such as that which occurs when a hot material is sprayed with cold water, produces a very high stress level near the exposed surface that eventually may lead to the development of cracks. Further growth of the cracks under repeated thermal shock is a very complex phenomenon due to the transient nature of the highly non-linear thermal stresses and the strong influence of the environment. There are cases in industry where cracks created by thermal shocks have arrested and stopped, and others where the cracks have progressed. Understanding this difference in behaviour is very important to the operators of pressure plant. This paper describes an experimental examination of crack growth in pressure vessel steel specimens exposed to repeated thermal shock. A test-rig that achieves large-scale thermal shocks through the repeated water quenching of heated flat plate specimens is used. The effect of steady-state loads on the growth is also analysed. Environmental effects due to the aqueous nature of the testing environment are found to be a major contributor to the crack growth kinetics.