等离子喷涂-物理气相沉积防护涂层及其失效机理研究进展

防护涂层在航空发动机和燃气涡轮发动机免受水氧腐蚀和盐雾侵蚀、耐高温、抗冲刷和服役寿命方面发挥着重要的作用。等离子喷涂-物理气相沉积（PS-PVD）技术以其大功率、喷射范围广、能够使粉末原料以气相甚至离子化和非视线沉积特性等特点被广泛应用在热/环境障涂层制备领域,形成的涂层具有沉积效率高、孔隙率较高、热导率低、应变容限高等特点。首先,对PS-PVD热障涂层的表面形貌、柱状晶特点和等离子射流特性进行了探讨。然后,讨论了PS-PVD YSZ热障涂层表面镀铝改性对涂层抗CMAS侵蚀、减少孔隙和裂纹、TGO的生成和提高热循环寿命方面的重要作用,结果表明表面镀铝能显著减少涂层表面孔隙、凹坑、微裂纹和熔融盐对于热障涂层的不利影响。其次,简要概述了近年来SiC_f/SiC CMCs代替镍基高温合金在航空发动机基体上抗高温高压和快速失效方面发挥的重要作用。SiC_f/SiC CMCs与T/EBCs的结合,有效延长了航空发动机的使用寿命,是我国航空事业的又一次重大突破。此外,重点介绍了PS-PVD非视线沉积特性和涂层阴影效应在涂层沉积方面这一特色,总结了TGO、残余应力、热膨胀失配、微裂纹和粗糙度是涂层失效的主要影响因素。最后,对PS-PVD技术未来在制备热/环境障涂层方面的前景进行了展望。     

等离子喷涂-物理气相沉积涡轮叶片7YSZ热障涂层

以纳米团聚的氧化钇稳定氧化锆(7YSZ)粉末为原料,通过等离子喷涂-物理气相沉积(PS-PVD)技术在涂覆有NiCoCrAlY粘结层涡轮叶片表面制备了羽毛柱状热障涂层,对不同部位涂层的微观结构进行表征.结果表明:PS-PVD技术在涡轮叶片上不同部位制备的热障涂层结构相同,能够在非视线沉积区域的叶缘板表面获得典型的PS-PVD热障涂层结构.涂层沉积过程中,涡轮叶片构型对涂层沉积效率有明显影响,当喷枪垂直叶片旋转轴时,涂层在远离叶片旋转轴区域的厚度较低,原因在于凹型曲面对反射粒子具有汇聚作用而凸型曲面对粒子具有分散作用,两种因素结合可预测复杂构型叶片表面的涂层厚度分布规律.PS-PVD技术制备的热障涂层具有良好的抗热震性能,采用涂层表面镀铝改性工艺能减缓循环热应力造成的涂层失效.     

PS-PVD制备YSZ 热障涂层抗熔盐腐蚀研究

为提高舰船燃气轮机上热障涂在海洋环境中层的工作寿命,研究了新型热障涂层在模拟海洋环境下的腐蚀性能。采用等离子喷涂-物理气相沉积（PS-PVD）技术,在已喷涂粘结层（NiCoCrAlY）的DZ40M高温合金基体上制备7YSZ陶瓷层,然后用Na₂SO₄（质量分数45%）+ V₂O₅（质量分数55%）混合熔盐在1 050 ℃下对涂层进行腐蚀实验。利用场发射-扫描电镜、X射线衍射仪、能谱仪对涂层表面和截面的组织结构及1 050 ℃高温熔盐腐蚀后涂层的物相组织和熔盐渗透深度进行了分析。研究结果表明,硫酸盐与钒酸盐的混合盐对涂层中的TGO 层破坏显著,t′-ZrO₂相变与TGO的生长是导致涂层脱落的主要原因。     

热障涂层失效行为及长寿命设计研究现状

热障涂层可在航机/燃机热端部件表面起到隔热、保护基体的作用,在服役过程中除隔热性能外,服役寿命也是评价热障涂层性能的一个重要特征,影响热障涂层寿命的因素多且复杂.论文综述了导致热障涂层失效、影响涂层寿命的主要因素,包括粘结层表面热生长氧化物生长、陶瓷层高温热暴露后相变和烧结等,并进一步介绍了提高热障涂层寿命的涂层设计研究进展.从粘结层抗氧化、抗烧结陶瓷层、柱状结构陶瓷层、双陶瓷层四个方面,介绍了基于结构设计提高热障涂层寿命的方法.采用粘结层预氧化处理的方法提高粘结层的抗氧化性能,通过等隔热功能层级结构设计双陶瓷层结构涂层实现长寿命减厚设计,均有效地提高涂层的热循环寿命.     

高温功能涂层

高温功能涂层是以薄膜或涂层方式复合于高温部件表面的异质材料,用于增加或增强部件的抗高温、耐腐蚀。隔热及导电等功能,广泛应用于航空、航天,能源、核工业、石化等领域,是国防武器装备和国民经济建设不可或缺的关键材料。经过多年的发展,我国已经初步建立了高温功能涂层体系,但在高温功能涂层基础理论研究方面相对薄弱,导致高溫功能涂层制备和应用中的一些关键技术难以取得突破性进展。     

CeO2-Y2O3-ZrO2热障涂层研究进展

随着先进航空发动机涡轮叶片热障涂层服役温度、服役寿命和隔热性能等要求的不断提升,传统的6%—8%Y₂O₃部分稳定ZrO₂(YSZ)热障涂层由于存在容易产生高温相变、变形剥落等问题,已难以适应未来高温等更加严苛的工作环境。CeO₂和Y₂O₃共同稳定的ZrO₂(CYSZ)涂层具有良好的高温相稳定性、较好的抗熔盐腐蚀性能,CeO₂的掺杂能使ZrO₂材料的热导率降低,提高涂层的隔热性能、热膨胀系数和抗热震性能。综述了国内外CYSZ热障涂层的研究成果和存在的问题,阐述了CeO₂掺杂对YSZ热障涂层性能的影响机制,并简要介绍了目前国内外CYSZ热障涂层及其材料的制备技术研究进展。     

不同粘结层材料的PS-PVD热障涂层热震性能

为探索不同粘结层材料对等离子喷涂-物理气相沉积(PS-PVD)YSZ陶瓷层的热震性能的影响,采用PS-PVD工艺在DZ40M高温合金上制备了NiCoCrAlYTa和NiCrAlY两种不同的金属粘结层及YSZ陶瓷层,用SEM及XRD等方法表征两种粘结层表面沉积的YSZ陶瓷层的形貌结构、显微硬度及物相,研究了两种涂层的1100℃水淬热震性能及失效模式.结果表明:PS-PVD制备的NiCoCrAlYTa和NiCrAlY两种粘结层均非常致密,陶瓷层均为典型羽毛型柱状结构;NiCoCrAlYTa-7YSZ和NiCrAlY-7YSZ两种羽柱状陶瓷层的孔隙率分别为16.1%和16.5%,显微硬度HV0.025分别为615.8和683.6;陶瓷层的形貌结构及孔隙率、硬度等基本性能,对粘结层成份差异不敏感.1100℃水淬试验结果表明,NiCrAlY-7YSZ涂层的抗热震性能优于NiCoCrAlYTa-7YSZ涂层.失效模式是涂层在频繁的低温-高温热循环中羽柱状陶瓷层内部裂纹萌生和扩展,以及表面花菜头先剥落形成点蚀坑.随着热震次数增加,更多的点蚀坑随机出现并扩大,进而相连后形成大面积剥落区.     

等离子喷涂热障涂层失效机理的研究

对等离子喷涂热障涂层热震失效和高温氧化失效机理进行了研究.结果表明,热障涂层具有良好的抗热震性;ZrO2与基体间热膨胀系数的差异所产生的热应力是热震失效的主要原因;在NiCrY与ZrO2的界面生成氧化物是高温氧化失效的主要原因.     

亚微米Gd-Sc-YSZ空心球粉常温电泳沉积于高温合金表面制备热障涂层

以自制的粒度0.3μm左右的Gd-Sc-YSZ化合物空心球陶瓷粉和粒度50μm左右的商业YSZ实心球陶瓷粉为原料,在乙酰丙酮溶液中于室温将两种陶瓷粉分别通过电泳沉积在直径30 mm、厚10mm的GH4169高温合金材料圆柱体其中一个水平端面.在电泳电压180~210V、电极间距20mm、电泳时间5min的条件下,通过电泳沉积制得Gd-Sc-YSZ陶瓷涂层质量约为0.1844g,涂层平均厚度约为0.211mm.在陶瓷涂层表面再涂覆一层Si-Al-O高温陶瓷胶,经干燥和低温烧结制得热障涂层.用自制的涂层隔热测温装置,测试涂层的隔热性能.在炉内热源温度为1040℃的条件下,用此测温装置测得YSZ和Gd-Sc-YSZ两个涂层的隔热温度分别为102,122℃,并且两种涂层的隔热温度都随外界热源温度的升高而增加.     

热障涂层后处理技术研究进展

热障涂层是一种降低航空发动机热端部件表面温度、提高发动机推力和效率的热防护技术,但其服役于高温、高压、高交变应力等恶劣环境而易脱落失效.对热障涂层的后处理技术进行了阐述,论述了真空热处理、热等静压处理、激光重熔、激光上釉、激光熔覆等后处理技术的方法和原理,并对比了不同工艺的优缺点.最后,展望了激光表面改性技术的应用前景和未来发展趋势.