宁波材料所等在新型苛刻海洋环境服役涂层材料研究中获进展

MCrAlY(M=Fe,Co,Ni等)合金具有优异的抗氧化和抗腐蚀性能,作为热障涂层的粘结层材料或单层涂层材料在航空发动机热端部件中得到广泛应用.该类合金优异的抗氧化和抗腐蚀性能主要归因于在宽温域范围内,其表面能够形成一层稳定、致密且连续的氧化物保护膜(以Al2O3和Cr2O3为主).然而,在苛刻海洋环境中,除了潮湿空气的氧化,发动机部件还会遭到高腐蚀性氯盐的侵蚀.前期研究表明,Cr2O3在高温下与NaCl和H2O发生反应,导致连续氧化物保护膜被破坏,从而缩减发动机寿命.因此,亟需为发动机部件开发一种新型高温腐蚀防护涂层,以满足高盐高湿热海洋环境服役需求.     

先进高温热障涂层用高性能粘接层制备及研究进展

热障涂层能显著提高航空发动机的效率和推重比,具备保护关键热端部件(例如涡轮叶片)能力而获得广泛运用,其构成一般由外表面的陶瓷隔热层和抗高温氧化的中间粘接层组成。在热障涂层体系中,粘接层抗高温氧化性能的好坏直接决定了热障涂层体系的服役性能和寿命,因此受到相关研究者的关注。金属Pt改性的粘接层具有优异的抗高温氧化和热腐蚀综合性能,特别是表面生成的连续致密Al2O3氧化膜抗剥落性强,是高温防护金属粘结层的优选方案。本文重点介绍了Pt改性MCrAlY粘接层和Pt改性铝化物涂层的研究现状和进展,并且论述了制备方法与原理及其特点,对先进Pt改性粘接层的发展趋势进行了展望。     

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。     

热障涂层高温抗氧化性能研究的现状及发展

热障涂层是目前最为先进的高温防护涂层之一,它具有良好的隔热效果与抗高温氧化性能。文中从热障涂层的制备工艺及其长期在高温腐蚀的恶劣环境下的失效机制等方面,综述了热障涂层在高温环境下服役时,在粘结层和陶瓷面层之间生成一层热生长氧化物,热生长氧化物生成与生长如何导致涂层失效及如何改善高温抗氧化性能研究的热点问题,在此基础上提出了作者关于如何提高涂层抗氧化性能的一些新观点。     

Properties of Thermal Barrier Coatings Made of Different Shapes of ZrO2-7wt%Y2O3 Powders

大气等离子喷涂ZrO2-7%Y2O3 (7YSZ, Y2O3为质量分数)热障涂层广泛用于航空发动机热端部件以提高金属基体的抗腐蚀、耐高温、抗冲蚀等性能。采用超音速火焰喷涂(HVOF)以NiCoCrAlYTa粉为原料在高温合金K4169基体上制备了粘结层,通过大气等离子喷涂(APS)分别以团聚、空心7YSZ粉为原料在粘结层上制备了陶瓷面层。使用扫描电镜(SEM)和工业电子计算机X射线断层扫描技术 (ICT)对团聚、空心粉热障涂层的微观结构进行观察分析,然后再对以上 2 种热障涂层的抗氧化、热震、结合、隔热等热物性能进行对比分析。研究结果表明：空心粉热障涂层陶瓷层中存在大量的微孔和裂纹;热障涂层陶瓷层中不同孔隙率对粘结层高温抗氧化性能没有明显的影响,但它有助于提高热障涂层的热震性能和隔热性能;此外,高的涂层孔隙率会导致空心粉热障涂层的结合强度低于团聚粉热障涂层     

团聚及空心ZrO_2-7%Y_2O_3热障涂层性能（英文）

大气等离子喷涂ZrO2-7%Y2O3(7YSZ,Y2O3为质量分数)热障涂层广泛用于航空发动机热端部件以提高金属基体的抗腐蚀、耐高温、抗冲蚀等性能。采用超音速火焰喷涂(HVOF)以NiCoCrAlYTa粉为原料在高温合金K4169基体上制备了粘结层,通过大气等离子喷涂(APS)分别以团聚、空心7YSZ粉为原料在粘结层上制备了陶瓷面层。使用扫描电镜(SEM)和工业电子计算机X射线断层扫描技术(ICT)对团聚、空心粉热障涂层的微观结构进行观察分析,然后再对以上2种热障涂层的抗氧化、热震、结合、隔热等热物性能进行对比分析。研究结果表明:空心粉热障涂层陶瓷层中存在大量的微孔和裂纹;热障涂层陶瓷层中不同孔隙率对粘结层高温抗氧化性能没有明显的影响,但它有助于提高热障涂层的热震性能和隔热性能;此外,高的涂层孔隙率会导致空心粉热障涂层的结合强度低于团聚粉热障涂层。     

MCrAlY 材料成分改性研究进展

MCrAlY(M=Ni,Co,NiCo)合金材料由于其优异的抗氧化性能和抗腐蚀性能,作为热障涂层的粘结层材料或单层涂层得到广泛应用。简要介绍了MCrAlY涂层的组成,并系统地阐述了为提高MCrAlY粘结层材料性能,对粘结层成分进行改性的研究进展,主要包括掺杂合金元素和掺杂硬质颗粒。合金元素主要包含Re,Hf,Pt,Ta等稀土元素;硬质颗粒主要是CeO2,Al2O3等氧化物颗粒。通过掺杂合金元素和硬质颗粒,可以使MCrAlY涂层中形成扩散障碍,改变MCrAlY的相组成,降低粘结层中Al,Cr等元素的扩散速率,从而有效地降低TGO的生长速率,延缓TGO中尖晶石相的形成,提高MCrAlY涂层的抗氧化性能。     

应变幅和相角度对热障涂层材料系统热机械疲劳性能的影响（英文）

热障涂层作为燃气轮机高温部件的关键材料,其服役过程中的脱落与失效机理一直是研究的热点问题。研究了应变幅和相角度对含热障涂层的镍基高温合金热机械疲劳性能的影响。研究结果表明,在相同相角度下,热机械疲劳寿命随应变幅的增大而降低。固定应变幅,同相位下样品的热机械疲劳寿命要高于反相位样品。所有样品中,裂纹萌生于热生长氧化物层,在粘结层与陶瓷层界面扩展形成分层裂纹,分层裂纹与陶瓷层内贯穿裂纹连接起来导致大面积的陶瓷层剥落,从而导致TBC层失效。另外,分析了热障涂层中的应力分布,初步建立了含热障涂层的镍基高温合金热机械疲劳寿命模型,发现含热障涂层的镍基高温合金热机械疲劳寿命与涂层中的最大应力呈指数关系。     

应变幅和相角度对热障涂层材料系统热机械疲劳性能的影响

热障涂层作为燃气轮机高温部件的关键材料,其服役过程中的脱落与失效机理一直是研究的热点问题。本文主要研究了应变幅和相角度对含热障涂层的镍基高温合金热机械疲劳性能的影响。研究结果表明,在相同相角度下,热机械疲劳寿命随应变幅的增大而降低。固定应变幅,同相位下样品的热机械疲劳寿命要高于反相位样品。所有样品中,裂纹萌生于热生长氧化物层,在粘结层与陶瓷层界面扩展形成分层裂纹,分层裂纹与陶瓷层内贯穿裂纹连接起来导致大面积的陶瓷层剥落,从而导致TBC层失效。另外,本文分析了热障涂层中的应力分布,初步建立了含热障涂层的镍基高温合金热机械疲劳寿命模型,发现含热障涂层的镍基高温合金热机械疲劳寿命与涂层中的最大应力呈指数关系。     

热障涂层先进结构设计研究进展

随着航空航天技术的不断发展,不断提高的涡轮前进口温度及恶劣的使用环境对镍基高温合金的使用性能提出了更高的要求。热障涂层是一种应用于涡轮发动机热端部件的表面技术,通过沉积在镍基高温合金表面,降低合金表面的温度。概述了采用传统单层层状氧化钇部分稳定氧化锆热障涂层的优势,包括较低的制备成本、便捷的制备方式及较低的层间热膨胀失配应力。同时,归纳了单层层状热障涂层在高温环境下存在的问题,包括氧化锆相变与烧结造成的涂层失效,以及热膨胀系数和断裂韧性较差的新型陶瓷材料无法直接制备在黏结层表面。在此基础上重点综述了近年来热障涂层先进结构设计的研究进展,包括双层层状结构、柱状结构、垂直裂纹结构及复合结构热障涂层,其中复合结构包括激光表面改性结构、梯度涂层结构及粉末镶嵌结构热障涂层。针对各种先进结构热障涂层,分别从微观结构、热震寿命、涂层内部应力、耐腐蚀性能、抗氧化性能等方面进行了归纳,并总结了各先进结构热障涂层现阶段发展的不足之处。最后展望了热障涂层先进结构设计的发展方向。     

电子束物理气相沉积La_2Ce_2O_7热障涂层的高温燃气热腐蚀行为研究

采用电子束物理气相沉积(EB-PVD)方法在镍基高温合金表面制备了La2Ce2O7(LC)/8YSZ双陶瓷层热障涂层,研究了LC涂层在高温燃气热腐蚀条件下的高温稳定性以及涂层的抗热腐蚀性能。结果表明,LC陶瓷涂层在海水和航空煤油的热腐蚀环境下经过950℃曝露100 h后,涂层没有发生分解和相变,显示了良好的抗燃气热腐蚀性能;同时,金属粘结层表面形成了一层连续致密的氧化层。热障涂层经过循环腐蚀100 h后,仍然没有发生剥落失效。     

热障涂层中NiPtAl与MCrAlY粘结层表面氧化铝的生长差异研究

研究NiPtAl和MCrAlY作为粘结层的EB-PVD热障涂层不同温度循环氧化寿命差异,从涂层高温氧化角度理解氧化铝的生长差异对上述涂层不同寿命的影响原因。发现2种Pt浓度的NiPtAl涂层具有相似的氧化行为和涂层寿命,同时NiPtAl比MCrAlY作为粘结层的热障涂层表现出明显较长的循环氧化寿命。NiPtAl比MCrAlY具有较低的氧化铝生长速率和较大的临界失效厚度。NiPtAl氧化铝呈明显的等轴和柱状晶粒分布,涂层中的Pt和氧化铝晶界中Hf偏析物是影响氧化铝生长速率的重要因素。进一步证明铂能够提高氧化铝的粘结性能和热障涂层寿命,从而抵消铂的高成本进而促进NiPtAl涂层在涡轮机中的进一步广泛应用。     

DS GTD111合金及YSZ/CoCrAlY型热障涂层在950℃的热腐蚀行为

采用EB-PVD技术在DS GTD111合金表面沉积制备YSZ/CoCrAlY热障涂层,研究了DSGTD111合金及热障涂层在950℃的热腐蚀行为,进行了腐蚀动力学及腐蚀产物分析。结果表明:950℃涂盐条件下热腐蚀100 h,热障涂层试样粘结层表面氧化物或腐蚀产物层的厚度与试验合金相比有很大程度的减小,施加热障涂层在很大程度上改善了合金抗950℃熔盐热腐蚀能力,热障涂层失效开裂部位为TGO与粘结层界面。950℃涂盐条件下热腐蚀100 h,YSZ/CoCrAlY型热障涂层的热腐蚀行为受合金基体影响作用不显著。     

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。     

电子束物理气相沉积热障涂层抗高温腐蚀性能的研究

对采用电子束物理气相沉积方法制备的MCrAlY涂层、双层结构热障涂层以及新型梯度结构热障涂层的高温氧化性能以及热腐蚀性能进行了研究。3种涂层均具有良好的抗高温氧化性能，但在950℃等温热腐蚀环境下，涂层的氧化速率加快，梯度热障涂层的增重小于NiCoAlY涂层，表明YSZ陶瓷层有助于提高NiCoAlY涂层的抗热腐蚀性能，但热循环寿命降低。     

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。     

热腐蚀对高温合金力学性能的影响以及防护措施的研究进展

高温合金因优异的高温强度,疲劳性能、断裂韧性等综合性能,已成为燃气涡轮发动机热端部件不可替代的关键材料。热腐蚀是造成涡轮发动机高温合金叶片失效的重要机制之一,深入研究高温合金热腐蚀对力学性能的影响,对发展服役条件下的热腐蚀防护措施具有重要的工程意义。本文综述了热腐蚀对高温合金疲劳性能、持久性能、蠕变性能以及其他力学性能的影响,总结了元素调控技术,表面防护涂层,激光喷丸技术等高温合金的多种防护措施,为发展耐热腐蚀高温合金提供建议。     

粘结层真空退火处理对热障涂层热循环寿命的影响研究

目的研究粘结层真空退火处理对热障涂层热循环条件下服役性能的影响。方法在某二代镍基单晶高温合金上涂覆铂铝粘结层,然后采用电子束物理气相沉积法沉积氧化钇稳定的氧化锆陶瓷层,构建热障涂层体系,在1100℃下可自动升降的循环氧化炉中进行热循环测试,通过高精度电子天平对涂层样品进行称量并绘制质量变化曲线,采用拍摄宏观照片的方式观察样品表面陶瓷层剥落情况,利用扫描电子显微镜观察沉积态及热循环后的样品截面微观组织结构形貌。结果与沉积态粘结层相比,在高真空中进行退火处理后,热障涂层的热循环寿命几乎增加一倍,且陶瓷层与热生长氧化膜结合良好。未经过真空处理的铂铝涂层表面陶瓷层发生明显剥落,且热生长氧化膜质量较差,出现了明显裂纹。结论真空退火处理可使铂铝涂层表面更加平整,在高温氧化过程中生成的低缺陷氧化膜有更好的质量,陶瓷层与粘结层的结合力更强,热障涂层体系的服役性能和寿命得到有效提升。     

定向镍基高温合金DZ466及其热障涂层的抗热腐蚀性能

采用EB-PVD技术在DZ466合金表面沉积热障涂层。950℃涂盐条件下热腐蚀100 h试验结果表明,DZ466合金表面形成疏松多孔的五层结构的腐蚀产物。相同热腐蚀条件下,由于Cr2O3与Al2O3的复合作用可阻止粘结层进一步的腐蚀和加速氧化,热障涂层中粘结层表面氧化物或腐蚀产物层的厚度比DZ466合金有很大程度的减小,表明(6~8)wt%Y2O3/Co Cr Al Y型双层结构的热障涂层可在很大程度上改善了DZ466合金的抗熔盐热腐蚀性能。     

航空发动机热障涂层存在的问题及其发展方向

热障涂层主要作用在发动机的热端部件,可以减少油耗,提高效率,延长热端部件使用寿命。热障涂层技术的高速发展使得航空发动机的性能得到了极大的提高,但是它在使用过程中存在着失效问题。主要对陶瓷面层存在的高温烧结、热生长氧化物生长应力、高温热腐蚀和界面应力失配四种问题进行了论述,并针对具体问题提出了解决方案。同时,对新型的低热导率热障涂层和应用在CMC基体上的热障涂层的研发情况进行了综述和展望。