热障涂层热导率的研究进展

简要回顾了热障涂层体系的发展,讨论了氧化锆陶瓷材料的传热规律,包括涂层微观结构、陶瓷成分等因素的影响.同时指出了改进陶瓷涂层热导率的方法和开发适用于更高温度下的陶瓷涂层材料的指导原则,并详细介绍了改善热障涂层热导率的研究现状.     

稀土氧化物掺杂改性YSZ热障涂层研究现状与趋势

随着科技的进步与发展,面对日趋复杂的工作环境,传统的氧化钇部分稳定的氧化锆(Yttria partially stabilized zirconia)热障涂层材料在高于1200℃的环境下服役时,易出现相变、烧结收缩严重等问题,降低了涂层的隔热性能,同时伴随有一定的体积变化而加速涂层的剥落,需要研发性能更好的热障涂层以适应未来的工作环境.新一代热障涂层分为以下几类:(1)掺杂稀土氧化物改性YSZ热障涂层;(2)萤石或焦绿石结构热障涂层;(3)钇铝石榴石或磁铁铅矿热障涂层;(4)钙钛矿结构热障涂层.其中,采用稀土氧化物掺杂对YSZ进行改性的热障涂层由于可以有效降低热障涂层的热导率,提高其高温相稳定性、高温抗氧化性、高温抗腐蚀性能等而引起国内外学者的关注.本文主要介绍了目前几种有希望代替传统YSZ涂层的稀土氧化物掺杂改性YSZ热障涂层,稀土氧化物包括CeO2、Sc2 O3、Gd2 O3、La2 O3,对不同稀土氧化物掺杂改性YSZ热障涂层材料的物理化学性质、研究现状及存在的问题进行了综述.其中掺杂CeO2可降低涂层的热导率,使其耐Na2 SO4腐蚀能力增强,并提高其热稳定性;掺杂Sc2 O3不仅降低涂层的热导率,还大大提高其相稳定性,使涂层在1500℃高温下经过长时间热处理后仍然保持单一的t'相;掺杂Gd2 O3可有效提高其耐热腐蚀性,但过量掺杂会降低涂层的力学性能;掺杂La2 O3可增强涂层的抗烧结能力,有效降低其热导率.本文还对影响稀土氧化物掺杂改性YSZ热障涂层性能的其他因素(如制粉方式、喷涂工艺等)的研究现状进行了简单的介绍,对今后热障涂层体系的发展趋势及研发思路进行总结,为新型热障涂层的研制提供参考.     

APS制备7YSZ热障涂层镀铝改性的抗氧化性

热障涂层(TBC)的使用对燃气轮机的寿命和效率都有明显提升,而TBC一般是由金属粘结层和ZrO_2-7%(质量分数) Y_2O_3(7YSZ)陶瓷层组成。与飞行器推进系统的TBC相比,燃气轮机的服役环境有其特殊性。在工业燃气轮机服役过程中,TBC系统中金属粘结层的氧化是导致涂层过早失效最重要的原因之一。TGO(热生长氧化层)的形成不可避免,但抑制TGO的生长速率可以提高TBC的使用寿命,而7YSZ是一种对氧离子扩散几乎无阻碍作用的材料。因此,在7YSZ涂层上覆盖一层氧离子扩散障碍膜是阻止TGO生成的一种可行方法。本研究中,在7YSZ涂层表面沉积一层铝膜。经热处理后,在7YSZ涂层表面通过Al和ZrO_2原位反应生成α-Al_2O_3层,该层可以作为氧离子扩散障碍层。此外,对热处理压力和铝改性的7YSZ涂层抗氧化性关系进行了研究。     

等离子喷涂-物理气相沉积制备7YSZ热障涂层及其热导率研究

通过等离子喷涂-物理气相沉积(PS-PVD)技术在3种不同工艺参数下制备7YSZ热障涂层。采用XRD和SEM分析涂层的相结构和微观组织,利用激光脉冲法测量涂层不同温度下的热导率。结果表明:通过调整工艺参数中电流的大小和等离子气体成分,可以制备截面呈柱状、致密层状和柱-颗粒状混合组织结构,表面呈"菜花"状或起伏的多峰状的YSZ热障涂层。涂层的相结构由粉末的单斜相氧化锆(m-ZrO_2)转变为涂层中的四方相氧化锆(t-ZrO_2),并保留至室温。在700~1100℃时,YSZ涂层的热导率随着温度的升高而增大。柱状晶结构涂层因具有较大的孔隙率,可以有效降低涂层的热导率,其热导率为1.0~1.2W·m~(-1)·K~(-1);而层状结构涂层由于比较致密,其热导率相对较高。     

热障涂层的发展现状

热障涂层(TBC)是目前最为先进的高温防护涂层之一,其具有良好的隔热效果与抗高温氧化性能.综述了TBC的制备工艺、结构特征与涂层材料的选择,归纳了涂层的主要失效形式,并对失效机理加以分析.     

陶瓷热障涂层的热导率和热扩散率测量

提出了应用3ω法进行等离子喷涂热障涂层材料的热导率和热扩散率测量的方法。测试了室温下2种典型的热障涂层材料Y2SiO5和La2Zr2O7的热导率和热扩散率,测试结果与文献中的结果吻合良好。实验中对不同孔隙率的样品的热导率在室温附近的温度区间内进行测试,结果表明,孔隙率的变化对热导率有明显的影响。另外,孔隙率对热扩散率有双向的影响,即存在某一孔隙率值使得涂层样品的热扩散率最大。     

杂质对氧化锆热障涂层性能的影响

降低热障涂层面层中的低熔点杂质含量,可提高涂层的高温稳定性和延长服役寿命。SiO₂、Al₂O₃和Fe₂O₃是氧化钇稳定氧化锆(Yttria-Stabilized Zirconia, YSZ)热障涂层中几种常见的低熔点氧化物杂质,均会对涂层的性能产生一定的影响。本研究采用大气等离子喷涂法,制备SiO₂、Al₂O₃和Fe₂O₃的含量从小于0.01wt%增加至1.00wt%的YSZ热障涂层。采用扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)研究了上述涂层的微观结构;采用激光热导仪测试了涂层的热扩散系数和抗热震次数。研究结果表明,低熔点氧化物杂质对YSZ涂层的导热性、热处理状态的孔隙率具有明显影响,且更容易引起涂层的热震失效。当杂质氧化物含量在小于0.2wt%范围内变化时,涂层的性能变化更为显著。     

溶液注入热等离子体中直接制备纳米结构热障涂层

采用一种新的方法,将Y2O3稳定的ZrO2前驱体溶液雾化注入直流等离子体中直接制备热障涂层.扫描电镜、透射电镜、X射线衍射分析、激光闪烁法分别观察分析了涂层的显微组织、纳米晶粒、相结构和热导率,排水法、冷热冲击法分别检测了涂层密度和热循环性能.实验结果显示等离子体喷涂液体制备出来的热障涂层不具有层状组织,晶粒尺寸小于100nm,组成相为四方相,硬度为350左右,热导率在1.2～1.5 W/m·K范围,涂层中存在16%左右的孔隙率,具有比常规微米结构热障涂层更优越的热循环性能.分析结果表明液体注入热等离子体中的雾化沉积既区别于物理化学气相沉积,又区别于粉末注入热等离子体中的熔化沉积,属于表面工程技术下的交叉领域.     

基于RVM表征热障涂层孔隙率与孔隙形貌对超声纵波声速的影响

依据由电子束物理气相沉积法(Electron Beam Physical Vapor Deposition,EB-PVD)制备的ZrO2-7%(质量分数)Y2O3(Yttria Stabilization Zirconia,YSZ)涂层显微分析结果,采用统计学方法和随机介质理论建立了涂层的随机孔隙模型。针对孔隙率分别为0%,5%,10%且具有不同孔隙形貌的涂层模拟结果,采用数值计算方法得到不同孔隙率及孔隙形貌差异引起的纵波声速变化。结果表明:含孔隙涂层纵波声速明显减小,与致密涂层相比,孔隙率为5%和10%的YSZ涂层,纵波声速分别减小14.4%和23.9%。此外,孔隙率恒定时,孔隙形貌变化也会引起超声纵波速度波动,对于孔隙率5%和10%的涂层,声速波动分别为5.0%和6.8%,该模拟计算结果与对应孔隙率的实验测量结果5.9%和7.5%是相当的。     

基于真实组织的模拟技术在热障涂层热导率预测中的应用探索

孔隙结构是影响涂层热导率的关键因素,采用激光脉冲法对2种工艺参数制备的YSZ热障涂层的热导率进行测试,并利用面向对象有限元分析技术(OOF)研究热障涂层微观结构对热导率的影响,探讨该技术在热障涂层隔热性能研究中应用的可行性和影响因素.结果 表明:基于真实涂层组织结构的热导率预测计算结果会受到模拟过程中的边界条件、网格划...     

Thermal Conductivity Measurement of an Electron-Beam Physical-Vapor-Deposition Coating

An industrial ceramic thermal-barrier coating designated PWA 266, processed by electron-beam physical-vapor deposition, was measured using a steady-state thermal conductivity technique. The thermal conductivity of the mass fraction 7 % yttria-stabilized zirconia coating was measured from 100 °C to 900 °C. Measurements on three thicknesses of coatings, 170 μm, 350 μm, and 510 μm resulted in thermal conductivity in the range from 1.5 W/(m·K) to 1.7 W/(m·K) with a combined relative standard uncertainty of 20 %. The thermal conductivity is not significantly dependent on temperature.     

Testing of Thermal Barrier Coatings by Laser Excitation

Thermal barrier coatings (TBCs) are used to increase the operating temperature of land‐, sea‐, or air‐based turbines. As failure of the coating may result in serious damage of the turbine, reliable estimation of the lifetime is essential. Most experiments to assess the lifetime or to determine parameters for simulations of the behavior of TBCs are done by burner‐rig‐tests, where the operating conditions are simulated by cyclic heating of the surface and cooling of the backside of a coated sample. In this work a possibility is presented to do comparable experiments by heating the surface with laser irradiation instead of a burner. For this purpose a Nd:YAG‐laser with a maximum output power of 1 kW and a wavelength of 1064 nm is used. The laser spot can be moved by integrated optics across the sample surface to achieve homogeneous heating of the coating. Cooling of the backside is done by air. The temperature of the sample surface is determined by an infrared‐camera which also enables the possibility to detect failures in the coating via thermography. Additionally, acoustic sensors attached to the sample holder are used to detect failures in the sample. The investigated ceramic material (yttria stabilized zirconia) has a very low absorption coefficient at the used laser wavelength. Therefore, a pre‐treatment of the samples was needed to increase the absorption coefficient to be able to heat up the samples. In this paper, the experimental setup and first experimental results are presented.     

纳米氧化锆涂层晶粒度与隔热性能的关系

将纳米热障涂层隔热性能与微观组织联系起来并进行定量描述的工作还处于起步阶段,采用纳米ZrO2团聚体粉末在不同的喷涂参数下制备了3种不同的纳米热障涂层,利用扫描电子显微镜、IA-32定量金相分析软件、X射线衍射仪对其进行了观察和分析,并结合非稳态激光脉冲法与差示扫描量热仪测量了涂层的热导率.研究表明:涂层中同时存在柱状组织和纳米级等轴组织,并以柱状组织为主;随着喷涂参数的改变,二者的相对比例发生变化;纳米级等轴组织含量对涂层的平均晶粒度和热导率都有重要影响;随着涂层晶粒度的减小,热导率随之降低.     

热障陶瓷涂层的最新发展

综述了现代航空发动机用热障陶瓷涂层的最新发展，着重介绍了双陶瓷层，电子束物理气相沉积（EB－PVD）和溶液等离子喷涂（SPS）纳米热障陶瓷涂层的性能和特点。     

Investigation on the thermo-chemical reaction mechanism between yttria-stabilized zirconia (YSZ) and calcium--magnesium--alumino-silicate (CMAS)

Thermal barrier coatings (TBCs) with Y₂O₃-stabilized ZrO₂ (YSZ) top coat play a very important role in advanced turbine blades by considerably increasing the engine efficiency and improving the performance of highly loaded blades. However, at high temperatures, environment factors result in the failure of TBCs. The influence of calcium--magnesium--alumino-silicate (CMAS) is one of environment factors. Although thermo-physical effect is being paid attention to, the thermo-chemical reaction becomes the hot-spot in the research area of TBCs affected by CMAS. In this paper, traditional two-layered structured TBCs were prepared by electron beam physical vapor deposition (EB-PVD) as the object of study. TBCs coated with CMAS were heated at 1240°C for 3 h. Additionally, 15 wt.% simulated molten CMAS powder and YSZ powder were mixed and heated at 1240°C or 1350°C for 48 h. SEM and EDS were adopted to detect morphology and elements distribution. According to XRD and TEM results, it was revealed that CMAS react with YSZ at high temperature and form ZrSiO₄, Ca_0.2Zr_0.8O_1.8 and Ca_0.15Zr_0.85O_1.85 after reaction, as a result, leading to the failure of TBCs and decreasing the TBC lifetime.     

YSZ喷涂粉末制备工艺及其对涂层性能影响

针对不同类型的Y2O3部分稳定ZrO2(YSZ)喷涂粉末,分析喷涂粉末对等离子喷涂氧化锆热障涂层结构和性能的影响。结果表明:熔融破碎型粉末涂层的孔隙率较小,热导率较大;空心球形粉末涂层孔隙率适中,层间孔隙率较大;扁平粒子界面数量较多,涂层的热导率最小,团聚烧结型粉末涂层虽然具有最大的孔隙率,但是层间孔隙率和扁平粒子界面数量小于空心球形粉末涂层的,其热导率介于两者之间;高纯和低密度YSZ喷涂粉末可提升热障涂层的抗烧结能力,从减小热障涂层热导率及延长高温使用寿命的角度考虑,应发展高纯、低密度的空心球形粉末技术。