模拟服役环境下热障涂层损伤趋势的红外原位检测技术

热障涂层会显著提高航空发动机和燃气轮机的运行温度和热效率,其服役工况复杂,一旦失效后会严重影响热端部件的服役性能,甚至引发事故,因而对热障涂层内部损伤进行无损检测是十分必要的。文中利用红外热成像技术,在燃气加热、高温度梯度和冷热交替循环的模拟服役环境下对多组热障涂层的损伤趋势进行了原位检测,提出了利用红热辐射差异水平参数ΔTR表征了热障涂层内部缺陷的扩展趋势的方法。涂层内部缺陷的寿命周期可分为稳定阶段(<50%～60%热循环寿命)、热异常扩展阶段和加速失稳阶段(>80%～90%热循环寿命),在热异常扩展阶段可预判失效区域和剩余寿命,而加速失稳阶段可确定缺陷区域即将剥离失效。     

声发射技术在热障涂层失效机理中的研究进展及展望

热障涂层（TBCs）具有优异的高温抗氧化、高温力学和抗热腐蚀性能而备受关注,广泛应用于航空发动机和燃气轮机热端部件中。热障涂层服役环境的恶劣和涂层体系结构的复杂,极易导致涂层发生界面分层或剥落失效,因此通过对热障涂层的裂纹萌生和扩展问题进行实时监测,对于失效机理研究显得尤为重要。简述光激发荧光压电光谱（PLPS）、红外热成像（IRT）、阻抗谱（IS）的原理及其在热障涂层失效行为研究中的应用,重点介绍声发射技术在热障涂层失效机理方面的研究成果。基于声发射的热障涂层失效过程的信号分析和深度处理,结合声发射技术在热障涂层中的参数分析和波形分析,对热障涂层失效过程及失效形态进行模式识别,通过损伤程度的定量评估来进行热障涂层的寿命预测。对声发射技术在热障涂层失效预测及寿命评估指明了方向,并创新性地对未来声发射技术在热障涂层的疲劳损伤方面研究趋势提出展望。     

等离子蒸发沉积热障涂层抗CMAS附着研究进展

热障涂层是先进航空发动机核心热端部件高压涡轮叶片的关键技术,随着发动机服役温度的不断提高,一种主要化学成分为CaO-MgO-Al2O3-SiO2(简称CMAS)的环境沉积物对叶片的危害日益严重,不仅堵塞叶片表面气膜冷却孔,影响叶片冷效,而且导致热障涂层早期剥落失效,服役寿命大幅度降低。高温熔融CMAS在涂层表面的附着过程及防护方法是目前热障涂层研究领域的热点和难点。本文针对新型的等离子蒸发沉积技术,梳理了近年来国内外学者在热障涂层抗CMAS附着、渗入和腐蚀方面的最新研究成果,指出了涂层抗CMAS侵蚀研究的发展方向。     

等离子工艺热障涂层的热疲劳分析

热障涂层作为先进的热防护技术,在航空发动机热端部件上有重要的应用,它与先进气膜冷却技术、先进单晶合金材料技术并称为航空发动机涡轮叶片三大关键技术。为了保证发动机安全可靠地工作,研究并测试热障涂层的力学参数和热疲劳特性是其工程应用的前提与基础。本文以等离子喷涂工艺制备的热障涂层为研究对象,利用共振原理和复合梁理论,获得了热障涂层表层一陶瓷层从常温到1150℃高温条件下的杨氏模量。同时,鉴于热障涂层的热疲劳失效模式为剥落,着重对热障涂层的热疲劳特性进行研究。以带热障涂层的圆管试样为模拟件进行了热疲劳试验,试验载荷选择50℃／1050℃的梯形波。利用所测试的材料参数和有限元方法进行了热变形分析,提取了热疲劳寿命控制参量,对模拟试样的热疲劳寿命进行了预测,结果显示,预测结果较为精确。     

热障涂层高熵合金粘结层材料研究进展

热障涂层是现代高性能航空发动机的关键材料和技术,能够显著提升热端部件(比如涡轮叶片)的工作温度,同时保护热端部件不受高温氧化和腐蚀。金属粘结层作为热障涂层的关键组成部分,直接决定了热障涂层体系的服役性能和寿命。然而,传统MCrAlY粘结层因为存在抗氧化性能不足、粘结层-基体互扩散严重以及高温强度不足等问题,导致服役温度不足1100℃,无法满足下一代超高温热障涂层的应用温度要求。基于传统MCrAlY粘结层中存在的关键问题,本团队提出高熵合金粘结层的设计思路,旨在突破传统粘结层的应用温度局限。本文重点介绍了Y/Hf-NiCoCrAlFe高熵合金的抗氧化与抗热腐蚀性能,同时也对此高熵合金粉体与粘结层的抗氧化性能进行了阐述,最后对高性能高熵合金粘结层的发展方向进行了展望。     

热障涂层材料与技术的研究进展

热障涂层具有良好的隔热效果和抗高温性能,应用于涡轮发动机的热端部件,能显著提高使用温度,延长使用寿命。本文对热障涂层的材料、制备技术的新进展进行了综述,展望了热障涂层的发展趋势。     

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。     

航空发动机用高温防护涂层研究进展

航空发动机热端部件服役环境恶劣,往往遭受机械载荷、高温、腐蚀、冲蚀等多种耦合作用。目前先进航空发动机热端部件无一例外地采用高温防护涂层以提高高温部件的使用温度,延长部件服役寿命,提高发动机效率。针对热端部件具体的服役环境特点,合理的设计和选择高温防护涂层体系对于提高发动机性能具有重要意义。文中对国内外近年来航空发动机热端部件的高温防护涂层设计、材料、制备工艺等方面进行了综述,展望了航空发动机用高温防护涂层的研究和应用发展趋势。     

热障涂层的性能评价

热障涂层用于涡轮发动机的热端部件可显著提高其使用温度,延长部件的使用寿命,并提高发动机的效率。文中对热障涂层的力学性能、抗氧化和抗热腐蚀、抗磨蚀和热学特性等性能的评价及性能判断与分析进行了综合回顾。     

耐久性柱状结构热障涂层设计

热障涂层（TBC）被广泛应用于热端金属部件表面,使其免受高温气体侵蚀,其微观组织结构及服役性能与制备工艺和服役状态密切相关并相互作用。本文从热生长氧化物（TGO）增厚、相变、烧结等方面讨论了各种应力诱因导致的TBC失效机理,综述了目前常用于陶瓷层柱状结构制备的方法及其在缓和TBC服役过程中应力的应用。由于TBC制备工艺及服役条件不尽相同,通过与标准TBC比较,评价了不同工艺下制备的TBC使用寿命,总结了柱状结构TBC的长寿命服役机理。本文综述了柱状热障涂层的应力源、微观结构、制备工艺和使用性能的相互作用关系,为高性能TBC设计提供了参考。     

等离子-物理气相沉积（PS-PVD）及其射流非接触检测方法

等离子-物理气相沉积(PS-PVD)是制备高温防护涂层和功能涂层的一种新方法,既可涵盖等离子喷涂和电子束物理气相沉积工艺,还可实现涂层宏观/介观/微观等跨尺度结构的定制化设计与制备,在热障涂层(TBCs)、环境障涂层(EBCs)、环境热障涂层(TEBCs)、透氧薄膜、燃料电池和太阳电池电极薄膜等领域具有广泛应用前景,尤其在航空发动机和燃气轮机防护涂层领域被视为高性能TBCs/EBCs制备技术发展的新方向。比较分析了PS-PVD等离子射流膨胀流动、材料快速加热气化离化和长距离多模式输运沉积的全流程过程,介绍了PS-PVD原理与设备系统,面向等离子射流参数快速无损检测分析的目标,建立了基于光学发射光谱学(OES)的等离子射流和材料特性非接触式检测与诊断装备系统,发展了射流和材料特性参数的定量表征和精确诊断方法。依据电子数密度等检测结果,进一步计算分析等离子温度分布规律。基于射流与材料检测结果,研究了粉末材料在等离子射流中的多相态转变行为,归纳了调控沉积单元多相态转变的工艺控制参数集。这些硬件平台和表征检测方法的建立,为构建PS-PVD理论和研制新型高性能热防护涂层提供了坚实的理论基础和必要的条件支撑。     

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。     

热障涂层演变、失效理论及模型建立研究进展

目的 热障涂层(Thermal Barrier Coatings, TBCs)是用于保护热端部件的功能性涂层,但在复杂工况的影响下易于呈现提前破坏和过早失效的特点。以应用最广泛的钇稳定氧化锆(YSZ)双层热障涂层系统为例,阐述其服役过程中的结构和性能演变,分析失效机理,总结寿命预测模型并介绍相关模拟技术。方法 分别对经历不同条件高温氧化实验后的热障涂层开展元素渗透引起的界面微观结构变化、随反应进行发生的界面宏观结构变化以及高温引起的涂层本征性能变化分析,并且基于多种热力学实验结论和断裂力学、损伤力学等理论,结合有限元模拟手段,研究涂层内部结构变化过程,选用不同种类的标准有限元模型,建立条件选择方法以及典型的动态模拟扩展技术,观察裂纹导致涂层断裂等过程。结果 总结了目前常用的唯象寿命模型、断裂力学模型和损伤力学模型等失效寿命理论模型,提出相关失效评价方法。结论 随着航空发动机效率的不断提高,热障涂层必须面对更高的进气温度和更严峻、更复杂的工况,需要进一步丰富失效理论、完善失效寿命模型、仿真手段和相应数据库,同时其在开发新材料、新结构、新工艺、涂层组织纳米化等方面也有很大的研究和发展空间。     

热障涂层太赫兹无损检测技术研究进展

太赫兹技术是近年来兴起的一种先进无损检测方法，因其优异的非接触、非电离、高精度和可实现自动化在线检测等技术优势，目前已经在热障涂层性能评价和寿命预测方面展现出巨大的潜力。简要介绍了热障涂层太赫兹无损检测技术的发展概况，分别从陶瓷厚度测量，TGO和冲蚀监测，孔隙、裂纹及应力状态表征方面进行重点分析和总结。指出目前利用太赫兹技术进行单层和多层陶瓷顶层厚度的监测技术已经较为成熟，可以逐步推广到工程应用中。在TGO监测方面，围绕利用太赫兹时域反射峰的时间差和振幅衰减进行TGO厚度监测取得了一定进展，但是检测精度有待进一步提高。在冲蚀监测方面，已经可以较为精确地对冲蚀造成的减薄进行定量检测，不过虽然已经可以对涂层内部渗入的CMAS进行定性判定，但是定量表征方面尚缺乏试验研究。在孔隙监测方面，探索了孔隙率大小对热障涂层的太赫兹频段光学参数变化的影响，提出相对展宽比是在孔隙率测量方面较折射率、消光系数和介电常数，既保留较高测量精度又兼具工程实用性的表征参量，但是目前对孔隙的微结构特征缺乏全方面表征。在裂纹监测方面，通过小波降噪及频域加Hanning窗函数滤波进行反卷积处理，已经可以分辨平行裂纹的位置和宽度，但是对于多条裂纹的监测尚有难度。在应力状态表征方面，发现折射率的改变与应力变化呈现线性关系，并且根据折射率的变化可以反推出光学应变系数，进而获取应力情况，但是目前反射式测量系统还需要进一步开发。最后针对目前热障涂层太赫兹无损检测技术应用现状、存在的问题及未来发展方向进行了总结和展望。     

Low-thermal-conductivity thermal barrier coatings with a multi-scale pore design and sintering resistance following thermal exposure

High-insulation,long-life thermal barrier coatings(TBCs) decrease the service temperature of superalloys and improve the service life of gas turbines.Improvement in the thermal insulation properties of the coating mainly depends on the optimization of the TBC structure.An important challenge for TBCs is maintaining a high performance during thermal exposure without degradation,as the pore-rich structure of the topcoat would inevitably be transformed by sintering.A low-thermalconductivity anti-sintering coating can overcome the tradeoff between thermal insulation and sinter degradation.In this review,the design,preparation,and serviceability evaluation of a low-thermal-conductivity anti-sintering coating will be discussed.Furthermore,directions for potential development are introduced.This paper provides a comprehensive understanding of the structured tailoring of TBCs for better thermal insulation and anti-sintering performance.     

燃气轮机在海洋环境下的热腐蚀与防护技术研究进展

针对海洋环境下舰船燃气轮机的热腐蚀现状,从热腐蚀的机理研究着手,基于不同阶段提出的热腐蚀模型理论,分析了高温和低温两种热腐蚀类型的发生过程和表现特征,指出热腐蚀实质上是以Na2SO4为主导的熔盐沉积共晶物与金属基体发生反应而导致金属材料加速氧化的过程。在此基础上,详细介绍了三种涂层防护技术—扩散涂层、覆盖涂层和热障涂层,并根据这三种涂层的发展阶段和功能特性,分析了其在制备工艺、作用机理和应用领域上表现出的差异性,重点强调了热障涂层(TBCs)在当前的发展境况。结合世界各国研究者开展的代表性工作,全面综述了国内外在舰船燃机热腐蚀防护领域的研究进展,重点描述了以硫酸盐为主的腐蚀介质中,金属材料的热腐蚀表现特征,并展示了数值模拟、热力学模拟等方法在热腐蚀研究上的应用案例。最后,对舰船燃气轮机涂层防护技术的发展方向进行了展望,提出发展新一代环障涂层(EBCs)是提高燃气轮机综合防护能力的有效技术手段。     

Ultrafast thermal plasma physical vapor deposition of yttria-stabilized zirconia for novel thermal barrier coatings

This research aims to develop advanced thermal plasma spraying technology for the next-generation thermal barrier coatings (TBCs) with a high power hybrid plasma spraying system. By using thermal plasma physical vapor deposition (TP-PVD), various functional structured yttria-stabilized zirconia (YSZ) coatings were deposited. Parameters, such as powder feeding rate, hydrogen gas concentration, and total mass flow rate of the plasma gas, were optimized, and their influences on the evaporation of YSZ powder were investigated. Ultrafast deposition of a thick coating was achieved at a rate of over 150 μm/min. The deposited porous coating has a low thermal conductivity of 0.7W/mK and the dense coating with interlaced t′ domains possesses a high nanohardness of 27.85 GPa and a high reflectance. These characteristics show that the TP-PVD technique is a very valuable process for manufacturing novel TBCs.     

Effect of Particle Size on the Micro-cracking of Plasma-Sprayed YSZ Coatings During Thermal Cycle Testing

The failure of plasma-sprayed thermal barrier coatings (TBCs) during service or thermal cycle testing usually results from internal cracking in the top coat, erosion and CMAS (calcium-magnesium-alumina-silicate)-induced damage, etc. The microstructure of ceramic coatings affects their durability and other properties of TBCs. In the present study, yttria-stabilized zirconia (YSZ) coatings were deposited by atmospheric plasma spraying (APS) using feedstocks with different particle sizes. In addition, the effect of particle size on damage evolution in the top coat was investigated. It is found that the coatings deposited using coarse particles show the higher thermal cycle life. Crack length grew with increasing numbers of thermal cycles. The faster crack growth rate can be found for the coatings deposited from fine particles. The porosity of the coating made from the coarse powder is larger than the porosity of the coating made from fine powder both in the as-sprayed condition and after thermal cycling. The changes in crack growth rate and the porosity are related to the effect of sintering and stress evolution in coatings during the thermal cyclic tests.     

Effect of Thermal Aging on Microstructure and Functional Properties of Zirconia-Base Thermal Barrier Coatings

Thermal barrier coating (TBCs) systems made of plasma sprayed zirconia are commonly used in gas turbine engines to lower metal components surface temperature and allow higher combustion temperature that results in higher fuel efficiency and environmentally cleaner emissions. Low thermal conductivity and long service life are the most important properties of these coatings. The objective of this work was to study the influence of a long-term heat treatment (i.e., 1200 °C/2000 h) on different characteristics of atmospheric plasma sprayed TBCs. Two zirconia feedstock materials were evaluated, namely, yttria partially stabilized zirconia and dysprosia partially stabilized zirconia. Several spray conditions were designed and employed to achieve different coating morphologies. Microstructure analyses revealed that the coating microstructure was significantly dependent on both operating conditions and heat treatment conditions. Significant changes in coatings porosity occurred during heat treatment. The lowest thermal conductivity was reached with the dysprosia partially stabilized zirconia material. Heat treatment affected TBCs adhesion strength as well.