纳米YSZ热障涂层隔热行为研究

通过测试等离子喷涂纳米氧化钇稳定氧化锆热障涂层的热扩散率、比热容及密度,得出涂层的热导率,借以评价涂层的隔热效果。借助X射线衍射和扫描电镜测定涂层的晶粒度和微观形貌。结果表明,从室温至900℃涂层的热导率范围为0.5565～0.6479W/(m×K),涂层中存在大量未完全熔化的纳米颗粒和小孔径孔隙,对降低涂层的热导率,提高涂层的隔热性能极为有利。     

稀土氧化物陶瓷材料在热障涂层上的应用现状

航空发动机技术的发展,要求热障涂层用陶瓷材料应具有更低的热导率和更高的相稳定性能.由于稀土氧化物陶瓷材料在热障涂层上的广泛应用,综述了稀土氧化物涂层、镧铝氧化物及稀土氧化物(一元、二元、多元)稳定ZrO2等热障涂层材料的研究现状.结果指出进一步的研究应集中于3个方面:1) 采用合适的方法提高稀土氧化物的高温相稳定性;2)改进镧铝氧化物的热物理性能;3)采用合适的氧化物对ZrO2基热障涂层材料进行掺杂,以进一步改善其热物理性能等.     

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。     

等离子喷涂常规和纳米8YSZ热障涂层的性能

分别采用了常规微米和纳米8YSZ粉末使用大气等离子喷涂系统进行热障涂层的制备,研究了涂层的结合强度、微观结构、常温热导率、折弯性能,试验结果表明:纳米涂层的结合强度要低于常规8YSZ涂层,但涂层的热导率、弯曲性能均优于常规8YSZ涂层.     

CMAS渗入对等离子喷涂YSZ热障涂层形貌的影响*

研究了等离子喷涂不同结构YSZ涂层在CMAS渗入作用下的形貌演变规律。对带有模拟CMAS沉积物的YSZ涂层进行高温热处理试验,并在低CMAS输送量条件下对YSZ涂层进行冲刷试验,试验后涂层均出现了严重的层间剥离失效。通过试验前后涂层的截面形貌及Raman光谱分析,结果表明:涂层的显微形貌变化主要表现在高温下熔融态CMAS沿涂层表面微裂纹和孔隙渗入内部,引起YSZ陶瓷层孔隙收缩、表层致密化,同时在涂层表面粘附的CMAS耦合作用下,YSZ涂层表层中产生大量横向微裂纹和明显分层;另外,YSZ涂层表层在CMAS中溶解并导致YSZ加速相变失稳也是影响涂层形貌变化和过快失效的因素之一。CMAS沉积层厚度增加时,同等条件下CMAS对涂层失效的影响会加剧。     

悬浮液等离子喷涂热障涂层研究进展

悬浮液等离子喷涂(SPS)解决了纳米尺度粉末输送困难的问题,在热喷涂领域得到了快速发展。介绍了悬浮液等离子喷涂的原理和特点,综述了不同工艺条件对热障涂层结构的影响:降低弧电压的波动可以提高SPS工艺的可控性;降低喷枪功率、降低悬浮液浓度、增大喷涂距离,可实现涂层由垂直裂纹结构向柱状晶结构的演变;降低表面粗糙度可提高柱状晶的均匀性;溶剂为乙醇、溶质粒度分布合理的悬浮液更容易获得柱状晶结构。总结了SPS制备热障涂层产生垂直裂纹结构和类柱状晶结构的机理,认为在相同表面粗糙度下,熔滴尺寸和切向速度是影响涂层结构的关键。SPS-8YSZ涂层的隔热性能和热循环性能较好,具有良好的应用前景。     

等离子喷涂YSZ热障涂层的工艺研究

目的 优化大气等离子喷涂工艺,提高热障涂层的耐腐蚀性能与热循环寿命。方法 设计正交试验,制备出不同工艺参数的YSZ涂层。用共聚焦显微镜、X射线衍射仪、能谱分析仪对涂层的表面粗糙度、表面与截面形貌、元素组成与分布进行表征,用Image J软件分析涂层的孔隙。根据试验数据优化工艺参数,对比分析工艺优化前后涂层的耐腐蚀性与热循环寿命。对涂层进行热震水淬试验,分析涂层的热震寿命与失效行为。结果 不同工艺下制备的涂层在孔隙、耐熔盐腐蚀与热循环寿命方面存在明显差异,工艺参数W3X3Y1Z3组合为优化出的喷涂工艺。采用优化后工艺所制备的涂层TBC-1,孔隙率为9.65%,平均孔隙尺寸为6.18 μm²,未观察到明显的大孔与裂纹。涂层表面粗糙度为3.48 μm,粉末熔化状态较好。热腐蚀之后,涂层截面熔盐元素V的质量分数为2.03%,无熔盐积聚现象。涂层经20次热腐蚀与热冲击联合试验后,质量损失率为0.25%,表面完整,无明显剥落。TBC-1在热震试验中的失效形式为涂层大面积剥落,失效次数为172次。结论 等离子喷涂的工艺参数对涂层的综合性能有重要影响,涂层中较大的裂纹和孔隙可作为熔盐的渗透途径,加速涂层的腐蚀,同时使热循环寿命变差。经优化后工艺制备的涂层,内部孔隙分布均匀,且平均孔隙尺寸较小,表现出良好的耐腐蚀性与热循环寿命。涂层中热生长氧化物(TGO)的生长应力、陶瓷层与黏结层的热失配应力是涂层中裂纹扩展和涂层失效的重要原因。     

8YSZ热障涂层结构设计及其结合强度变化规律

目的 探究不同厚度的黏结层和陶瓷层对8YSZ热障涂层结合强度的变化规律。方法 采用大气等离子喷涂技术(APS)在Ti-6Al-4V合金基体表面分别制备了不同厚度的黏结层和陶瓷层等6种双层结构涂层。利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)和X射线荧光分析仪(XRF)等检测手段对喷涂粉末和涂层的相组成、微观结构及化学成分变化进行表征。借助万能材料试验机分别对6种不同厚度涂层的结合强度进行测量和评估。结果 不同厚度的8YSZ陶瓷粉末在喷涂过程中主要从单斜相(M)向四方相(T)转变。此外,不同厚度的热障涂层都呈现出典型的层状结构,涂层表面存在着完全熔融态、半熔融态和未熔态等3种复杂状态,且都存在不同程度的裂纹和孔隙。涂层结合强度随黏结层厚度的增加会有些许增大,而随陶瓷层厚度的增加逐渐下降,且陶瓷层厚度越大结合强度下降得越缓慢。在所有涂层试样中,当黏结层最厚且陶瓷层最薄时涂层结合强度最大,超过29.7 MPa;而当黏结层最薄陶瓷层最厚时涂层结合强度最低。 结论 8YSZ热障涂层的黏结层和陶瓷层厚度变化对涂层的物相组成以及化学成分无明显影响,而对涂层结合强度以及断裂方式产生显著影响。     

热循环下梯度热障涂层热氧化物生长的应力分析

建立了一种预测多层复合梯度热障涂层热应力的理论模型,并通过有限元方法分析了梯度涂层分布指数n、热循环过程中热氧化物的生长对涂层热应力大小及分布的影响。结果表明,通过控制梯度涂层的成分分布指数可以显著降低热应力和改善应力分布。当n=1时,涂层热应力较小且变化平缓,结合性能优异。与双层非梯度涂层的热应力对比可知,功能梯度涂层能显著地缓和涂层系统的热应力和消除应力集中。另外,热循环过程中梯度热障涂层与基体界面附近生长的热氧化物急剧地提升了界面附近的热应力,复杂而又集中的热应力对梯度涂层有很大的破坏。同时采用了一种方法来抑制热氧化物的生长,结果显示该方法能较好地优化涂层的热应力和改善涂层质量。     

热障涂层研究进展

综述了热障涂层的设计思想和工作原理、部分稳定氧化锆陶瓷面层成分的选择、热障涂层制备方法及ＡＰＳ和ＥＢ－ＰＶＤ制备热障涂层的典型结构,分析热障涂层高温氧化等引起涂层破坏的因素。     

不同厚度8YSZ热障涂层的结构及性能表征

目的探究厚度变化对8YSZ热障涂层结构、力学性能以及抗热震性能的影响。方法通过超音速火焰喷涂技术(HVOF)和大气等离子喷涂技术(APS)分别制备了Ni CoCrAlTaY粘结层和厚度为500μm、1.0mm、1.5mm的8YSZ陶瓷涂层,采用扫描电子显微镜(SEM)、光学显微镜和X射线衍射仪(XRD)对喷涂粉末和涂层的形貌、物相进行了表征,借助显微硬度计和万能材料试验机分别考察了涂层的硬度和结合强度,最后采用水淬法对涂层的抗热震性能进行了测试。结果不同厚度的8YSZ涂层均由非平衡的四方相(t′-YSZ)组成,且断面呈现出明显的层状结构。随着厚度的增加,涂层中逐渐产生了明显的网状纵向裂纹和边缘界面裂纹。涂层的表面和截面显微硬度都不随厚度的增加而发生显著变化,并且所制备的涂层在整个截面上的显微硬度都比较均匀。涂层的结合强度随着涂层厚度的增加而显著降低。热震试验过程中,三种厚度涂层皆以界面开裂的形式失效,且厚度越大的涂层热震寿命越短。结论 8YSZ热障涂层的厚度变化对其微观形貌、结合强度以及抗热震性能皆有显著影响,而对涂层的物相组成以及显微硬度无明显影响。     

NiCoCrAlY粘结层喷涂工艺对8YSZ热障涂层抗氧化性能的影响

目的 提高热障涂层粘结层的抗高温氧化性能。方法 分别采用爆炸喷涂和等离子喷涂工艺制备了不同结构的NiCoCrAlY粘结层,之后通过等离子喷涂制备8YSZ陶瓷层,分析了两种粘结层结构的热障涂层的抗高温氧化性能。利用XRD、SEM和EDS对涂层物相、微观结构和成分进行分析,并对其与基体结合状态、抗高温氧化性能进行研究。结果 爆炸喷涂粘结层内部组织致密,缺陷较少,与基体结合处孔隙少;而等离子喷涂粘结层内部的层状特征明显,孔隙较多,表面粗糙度较低。爆炸喷涂粘结层氧化5 h后,表面生成了一层富Al2O3的致密氧化物膜;而等离子喷涂粘结层表面形成了富NiO、CoO、Cr2O3和Ni(Cr,Al)2O4的氧化物层,并出现了许多微裂纹和片层状氧化物。爆炸喷涂制备的热障涂层试样在前5 h氧化增重速率高于等离子喷涂试样,随后变平缓,而等离子喷涂试样氧化速率依然较高。爆炸喷涂热障涂层的热生长氧化物层（Thermally grown oxide, TGO）经50 h氧化后,仍呈连续状,厚度均匀,粘结层内氧化物缺陷较少。结论 爆炸喷涂粘结层组织均匀、致密,喷涂时涂层的氧化以及热处理的内氧化较少,使得足够的Al较快速地在粘结层表面形成致密的氧化铝,表面一定厚度的氧化铝层抑制了氧和其他金属原子的相向扩散反应,提高了涂层的抗高温氧化性能。     

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。     

热障涂层先进陶瓷材料研究进展

随着航空航天技术的不断发展,恶劣的工作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以降低基底表面温度。概述了传统氧化钇部分稳定氧化锆热障涂层的性能优势,包括优异的隔热性能、较高的热膨胀系数与断裂韧性。同时归纳了氧化钇部分稳定氧化锆热障涂层在高温环境下存在的问题,包括氧化锆相变与涂层烧结造成的过早失效。在此基础上,重点综述了近年来热障涂层先进陶瓷材料的研究进展,包括稀土陶瓷材料与自愈合材料,其中稀土陶瓷材料包括稀土掺杂氧化锆、成分掺杂与结构设计的稀土锆酸盐、稀土磷酸盐、3种不同结构的稀土钽酸盐、高熵稀土陶瓷材料以及稀土铌酸盐等,自愈合材料包括二硅化钼与碳化钛。针对各种热障涂层陶瓷材料,分别从热震寿命、热膨胀系数、热导率、耐腐蚀性、断裂韧性等方面进行了归纳,并总结了各材料现阶段发展的不足之处。最后展望了热障涂层材料的发展方向。     

热喷涂纳米结构热障涂层的最新研究

分析列举了近些年来热喷涂纳米结构热障涂层（TBCs）的最新研究进展和成果。重点比较了热喷涂纳米结构TBCs与传统TBCs之间的性能差异。最后对热喷涂TBCs的研究前景作了展望。     

燃气轮机热障涂层的研究现状与发展趋势

综述了热障涂层的原理、作用、组成和制备方法、失效模式等方面的研究现状,在此基础上探讨了热障涂层的发展趋势.     

航空发动机涡轮叶片热障涂层失效分析研究

采用扫描电镜及能谱对航空发动机涡轮叶片热障涂层进行失效分析,将叶片划分为9个区域,发现其前缘区域由于涂层的使用温度高、粘结层氧化、尖晶石等大量生长,导致在TGO/陶瓷层界面处产生大量的生长应力,呈TGO/Top coat界面分层失效。后缘区域呈粘结层/基体分层分裂失效,同时所有区域都有CMAS腐蚀。CMAS附着在涂层表面,沿着纵向裂纹等缺陷渗透到涂层内部,引发涂层产生横向分层,并导致涂层腐蚀剥落。