La_2Zr_2O_7厚度对La_2Zr_2O_7-8YSZ双陶瓷热障涂层隔热性能与初始残余应力影响的数值模拟

利用有限元法研究了LZO-8YSZ双陶瓷层热障涂层的初始残余应力分布状态,研究了LZO厚度对隔热性能和初始残余应力场的影响。结果表明,界面边缘处容易形成应力集中。在相同的陶瓷层厚度情况下,LZO-8YSZ双陶瓷热障涂层的初始残余应力低于单一YSZ陶瓷层热障涂层和单一LZO陶瓷层热障涂层。随着LZO厚度的增加,涂层的隔热效果越好,但涂层内的残余应力以及界面残余应力都相应提高。当LZO厚度100μm、YSZ厚度300μm时,热障涂层的初始残余应力最低。     

表面陶瓷层厚度对Sm2Zr2O7/8YSZ热障涂层热冲击性能的影响

稀土锆酸盐与8YSZ所组成的双陶瓷层涂层是目前热障涂层领域研究的热点,而陶瓷层厚度对其热冲击性能有着显著影响。采用有限元软件ANSYS研究了表层厚度对Sm2Zr2O7/8YSZ热障涂层淬冲击热应力的影响,并与单一Sm2Zr2O7涂层进行了比较。结果表明,在Sm2Zr2O7/8YSZ涂层的表面处具有最大的径向热冲击应力,最大轴向应力则存在于陶瓷层/金属粘结层界面处,涂层各处剪应力基本相当。涂层表面及两陶瓷层界面处的径向热应力随表层厚度的增加而减小,陶瓷层/粘结层界面处径向应力则随表层厚度增加而增大。每个界面处的轴向应力随表层厚度增加而降低,而剪应力绝对值则随表层厚度增加而增大。与单一Sm2Zr2O7涂层相比,Sm2Zr2O7/8YSZ涂层的热应力明显偏小,说明增加涂层的层数有利益改善涂层的抗热冲击性能。     

高韧性过渡层对大气等离子喷涂热障涂层性能的影响EI北大核心CSCD

高温服役环境下,大气等离子喷涂(APS)制备的纳米结构热障涂层受热应力作用,黏结层/陶瓷层界面附近的陶瓷层内部易形成横向裂纹而导致热障涂层失效。利用常规大气等离子喷涂和超音速等离子喷涂(SAPS)制备8YSZ高韧性过渡层。结果表明,采用APS和SAPS制备的高韧性过渡层提高了扁平化粒子间结合状态和涂层致密度,相比常规结构8YSZ涂层的断裂韧性分别提高约46%和84%,高韧性过渡层均提高了复合结构热障涂层结合强度、抗热震性能和燃气热冲击寿命,SAPS制备的高韧性过渡层厚度为30~50μm时复合结构热障涂层抗热震性能最优,当高韧性过渡层厚度为10~30μm时,相比常规结构热障涂层燃气热冲击寿命提高120%。在温度梯度作用下,热障涂层最终失效由陶瓷层逐层剥落转变为靠近陶瓷层/黏结层界面处剥落。通过高韧性过渡层设计,兼顾热障涂层的隔热性能的同时,提高了热障涂层的结合强度和寿命。     

铝合金基体上含化学镀过渡层的二氧化锆热障涂层失效机制

为了缓解涂层和基体之间的热失配应力,采用化学镀方法在2A70铝合金表面上制备Ni-P和Ni-Cu-P过渡层;然后在镀层表面依次制备CoNiCrAlY粘结层和ZrO_2-8%Y_2O_3(8YSZ)陶瓷层(质量分数),获得复合热障涂层;并采用热循环方法评定该涂层体系的抗热震性能。结果表明,采用Ni-P镀层和Ni-Cu-P镀层作为过渡层的试样的热震寿命分别约为1000次和500次;Ni和Al元素的互扩散使过渡层与基体界面区域形成了扩散层和岛状颗粒,一些颗粒与扩散层连通后提高了涂层与基体的结合强度,但孤立的颗粒由于变形能力差,对涂层的寿命有不利影响;在交变应力下颗粒与基体界面处会形成裂纹,并最终导致涂层剥离。     

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。     

粘结层和陶瓷层厚度对纳米结构热障涂层性能的影响

采用超音速火焰喷涂+大气等离子喷涂工艺,在K403高温合金表面制备不同层厚比的NiCrA-lY/纳米7YSZ热障涂层,研究了涂层厚度变化对热障涂层表面粗糙度、结合强度、热震性能和热循环寿命的影响规律。结果表明:当粘结层厚度一定时,随着陶瓷层厚度的增加,其表面粗糙度增加,涂层结合强度下降;当粘结层厚度为50μm时,热障涂层的抗热震性能随陶瓷层厚度增加而降低,粘结层厚度提高至100μm时,热障涂层的抗热震性能随陶瓷层厚度增加先提高,后降低,热障涂层在1100℃的热循环寿命测试结果也基本对应这一规律;当粘结层厚50μm且陶瓷层/粘结层的层厚比在(1～2)∶1的范围内,或者粘结层厚100μm且陶瓷层/粘结层的层厚比在(2～2.5)∶1范围内时,热障涂层具有较优异的性能。     

La2Ce2O7/YSZ热障涂层抗热震性能的陶瓷层厚度影响研究

采用实验和数值方法研究了陶瓷层厚度比对La2Ce2O7/YSZ(LC/YSZ)热障涂层热震性能的影响。实验结果表明,随着LC与YSZ厚度比的降低,涂层热震寿命显著提高,涂层失效区域逐渐向试样中心转移,剥离位置逐渐从两陶瓷层界面附近转移到LC内靠近上表面处。数值结果表明,界面边缘处较大的轴向应力与剪切应力易导致较大厚度比涂层边缘处剥落;LC表面中心区域较大的径向拉应力会导致垂直裂纹萌生,并伴随界面偏折,这是较小厚度比涂层自LC内部剥离的原因。     

热生长下热障涂层残余应力及失效分析

针对典型热障涂层结构以界面开裂和涂层剥落为主要失效模式,考虑界面凹凸微观形貌特征,借助材料转换的方法实现氧化生长,利用粘弹塑性有限元法,研究了氧化层热生长和蠕变等因素对热障涂层残余应力的影响,并从应力应变循环演化的角度对热障涂层系统中微裂纹的萌生位置进行了预测。结果表明,随着氧化层厚度的增大,垂直于界面方向的残余应力迅速增大;材料蠕变对热障涂层系统应力释放作用显著;从残余应力和应变演化的角度进行评价,结构中的微裂纹会率先出现在粘接层凸峰以及陶瓷层/氧化层/黏结层界面的中间位置,仿真分析结果与试验结果一致。     

等离子喷涂ZrO2-NiCoCrAlY梯度热障涂层的抗热震性及失效机理

研究了ZrO2-NiCoCrAlY热障涂层的抗热震性和热震失效机理.实验结果表明,梯度热障涂层能明显延缓热震裂纹的形成和扩展,具有较高的抗热震性.热震裂纹形成与扩展主要在粘结层与基体的界面处.随热循环次数的增加,热震裂纹可在表面陶瓷层内和陶瓷层与过渡层的界面处形成.实验表明热障涂层热震失效的过程主要是裂纹形成、扩展及涂层剥落,粘结层的氧化是导致涂层剥落失效的重要原因.     

热障涂层陶瓷层/TGO界面开裂行为的有限元模拟

目的更好地理解热障涂层在热循环条件下的失效行为。方法采用有限元方法引入了内聚力模型,研究热障涂层在多次热循环条件下的界面开裂行为,并且考虑了陶瓷层厚度和粘结层厚度对界面开裂行为的影响。结果涂层最先在陶瓷层/TGO层界面的波峰与波谷之间开裂,此外在界面波谷处也存在开裂现象。当陶瓷层厚度在300~500μm范围内,界面裂纹的平均长度随陶瓷层增厚而增长,裂纹密度也随之增加。粘结层厚度为50μm时,界面裂纹的平均长度为15μm;当厚度增加到100μm时,界面裂纹平均长度减少到10μm;而厚度为150μm时,界面裂纹平均长度又提高至12μm。当粘结层与陶瓷层厚度比在0.2~0.4的范围内时,陶瓷层/TGO层界面上的最大拉应力最小。结论陶瓷层厚度和粘结层厚度对热障涂层界面开裂行为的影响极大,小厚度陶瓷层以及当粘结层与陶瓷层厚度比在0.2~0.4的范围内时,热障涂层具有更好的抗界面开裂能力。粘结层厚度不宜过大,超过一定厚度时反而会降低涂层的抗界面开裂能力。计算结果与文献报道的结果相近,证明了模拟结果的准确性。     

Sm2Ce2O7/YSZ功能梯度热障涂层的残余热应力

目的研究基体材质、厚度及半径对Sm_2Ce_2O_7/YSZ功能梯度热障涂层残余热应力的影响。方法采用ANSYS10.0软件中Plane13单元,通过直接耦合计算,系统分析了不同基体条件下,Sm_2Ce_2O_7/YSZ功能梯度热障涂层的残余热应力。结果在Sm_2Ce_2O_7/YSZ功能梯度热障涂层中存在较大的残余热应力。涂层残余热应力随时间的增加而逐渐降低,900 s后基本维持稳定。涂层径向热应力从中心处到试样边缘逐渐递减。2Cr13对应的涂层应力最小。金属基体厚度在2~10 mm范围内,径向热应力虽然增加,但变化幅度不大。当基体厚度为20 mm时,涂层径向热应力则显著增加。金属基体半径对涂层的最大剪切应力并不产生影响,轴向热应力随基体半径的增加而逐渐降低,径向热应力随半径增加到一定值后趋于稳定。结论 2Cr13钢基体对应的涂层具有最小热应力,基体厚度为10 mm时比较合适,基体半径对涂层轴向热应力的影响最明显。     

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。     

温度梯度热循环下纳米7YSZ陶瓷层结构演变

目的采用低温超音速等离子喷涂(LT-HVOF)在镍基高温合金基体(K417)上制备了NiCoCrAlYTa粘结层,使用大气等离子喷涂(APS)在粘结层上制备了纳米7%Y_2O_3-ZrO_2(7YSZ)陶瓷涂层,以获得温度梯度热循环下纳米陶瓷层的结构演变机制。方法通过燃气热冲击实验仪对热障涂层模拟真实服役条件下温度梯度热循环的工作环境,采用一维稳态热传导模型计算了热障涂层中各涂层界面的温度,探讨了在热驱动作用下等径晶粒和非等径晶粒的扩散长大机制。结果热循环次数为40次时,涂层近表面出现了烧结致密化现象,而陶瓷层底部涂层保持原来的结构。热循环次数增加到460次时,整个陶瓷层断面都发生了烧结致密化现象。结论温度是涂层烧结致密化的主导因素。涂层中当等大晶粒接触形成弯曲颈时,由于弯曲颈只受水平方向静压力作用,晶粒中原子扩散速率慢,导致晶粒长大速率较慢;而当非等大晶粒接触形成弯曲颈时,在晶粒接触弯曲颈处存在一偏大晶粒方向的剪切力,其导致晶粒向弯曲颈扩散速率增加,晶粒长大速率较快。     

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。     

热障涂层失效机理、改进方法及未来发展方向

热障涂层(Thermal Barrier Coatings,TBCs)是用于航空发动机及燃气轮机的一种高效功能性隔热涂层,常用材料为氧化钇(质量分数6％～8％)部分稳定氧化锆(YSZ).首先,从TGO生长、高温烧结、CMAS腐蚀、盐雾腐蚀和热膨胀失配等方面介绍了YSZ的失效机理,以上因素会从不同程度上造成涂层分层、开裂乃至失效.其次,介绍了通过控制界面反应速度和元素扩散速度,改变涂层化学成分及结构等方法,改善YSZ性能.为适应下一代超高温热障涂层的发展要求,近年来,国内外针对制备工艺的改善和新材料性能进行了研究.通过调控等离子物理气相沉积的喷距,能得到不同微观结构的热障涂层,运用纳米粉体再造粒技术,能制备出抗热震性能、耐磨抗腐蚀性、韧性以及可加工性更为优异的纳米结构涂层.ABO3型钙钛矿结构钡盐、钽酸盐、石榴石结构稀土铝酸盐、磁铅石结构稀土铝酸盐、独居石结构稀土磷酸盐等新型陶瓷层材料的研究是一大热点.与传统YSZ相比,新陶瓷层材料有优异的高温相稳定性、高热膨胀系数、高热导率等性能,但存在断裂韧性低、组分复杂等缺点.最后,为热障涂层未来研究指出了方向,并展望了其面临的挑战.     

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。     

可计及温度与层状结构影响的超高温陶瓷基复合材料涂层残余热应力理论表征模型

目的创建可计及温度与层状结构共同影响的超高温陶瓷基复合材料涂层与基体层因热不匹配导致的残余热应力的理论表征模型。方法基于经典的层合板理论与超高温陶瓷基复合材料热物理性能参数对温度的敏感性研究,引入温度和层状结构对涂层与基体层所受残余热应力的影响,形成各层残余热应力温度相关性的理论表征方法,并以ZrB_2-SiC复合材料涂层为例,利用该理论方法系统地研究了各种控制机制对残余热应力的影响及其随温度的演化规律。结果超高温陶瓷基复合材料涂层与基体层所受的残余热应力随着温度的变化而变化,涂层热膨胀系数与基体层热膨胀系数差别越大,变化幅度越大。当涂层材料热膨胀系数大于基体层材料热膨胀系数时,涂层材料遭受残余拉应力,基体层材料遭受残余压应力;随着涂层厚度的增加,涂层所受拉应力减小,而基体层所受压应力增大;当涂层材料热膨胀系数小于基体层材料热膨胀系数时,涂层材料遭受残余压应力,基体层材料遭受残余拉应力;随着涂层厚度的增加,涂层所受压应力减小,而基体层所受拉应力增大。低温下,各层所受残余热应力对层厚与每层材料组成的变化比较敏感,随着温度的升高,敏感性降低。结论对于涂层材料,应设计涂层材料的热膨胀系数小于基体层材料的热膨胀系数,使涂层遭受残余压应力,这不仅能够降低材料表面产生裂纹的危险,同时可以抑制表面已有缺陷的扩展。同时应当设计相对较小的涂层厚度,以增大涂层所受的残余压应力,降低基体层所受的残余拉应力,有效提高整体材料在不同温度下的强度性能。     

Influence of ceramic thickness on residual stress and bonding strength for plasma sprayed duplex thermal barrier coating on aluminum alloy

NiCoCrAlY/8wt.%Y₂O₃–ZrO₂ coating was plasma sprayed on aluminum alloy to evaluate the effect of ceramic thickness on residual stress and bonding strength. A new stress calculation method based on Stoney equation and substrate-removal technique was proposed. Stress in both bond coat and ceramic was studied. With the increase of ceramic thickness, the residual stress in both layers was firstly compressive then turned tensile. The large thermal expansion coefficient of the substrate played an important role in residual stress formation when the ceramic was thin. However, the intrinsic deposition stress took a dominant position when the ceramic coating turned thicker. The bonding strength decreased and the location of the fractured surface moved toward the ceramic surface. The moving of the surface was mainly resulted from the variation of stress gradient and the weakness of high porosity zone near the bond coat–ceramic interface.