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.     

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。     

热处理对热障涂层孔隙率及热导率的影响

热障涂层高温使用过程中不可避免发生烧结,引起涂层失效。为探索烧结过程对涂层可靠性的影响,采用等离子喷涂制备氧化钇稳定氧化锆(YSZ)涂层,并对其进行1 000,1 100,1 200,1 300℃高温烧结试验,研究其高温烧结过程中的微观结构及热导率演变规律。结果表明:高温热处理引起热障涂层组织结构和热导率均发生变化,稳定状态的孔隙率为12%~14%,在热障涂层服役温度范围内热导率增加到1.25~1.45 W/(m·K)。     

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。     

基于声发射技术的热障涂层损伤行为

热障涂层以优异的隔热、耐磨和耐蚀性而被广泛应用于航空涡轮发动机中。由于热障涂层体系内部结构复杂,服役环境苛刻,导致其失效不可预测。热障涂层系统内的表面开裂和界面分层是限制热障涂层长时间使用的瓶颈问题,且热障涂层的过早剥落失效会导致合金基体暴露在高温燃气中,这可能引起灾难性的后果。针对涂层的裂纹扩展行为,最重要也最直接的研究方法就是对热障涂层的整个失效过程进行实时无损检测,为寿命预测提供最直接的证据。声发射技术是一种实时动态的无损检测方法,可直接检测热障涂层失效过程中的裂纹扩展行为,因此在热障涂层失效检测领域得到了广泛的应用。然而,造成热障涂层损伤失效的因素较多,如失效机理复杂、失效形式多样,以及声发射信号本身的随机性和不可逆性,使得利用声发射技术检测热障涂层失效整个过程的研究还不够全面。目前,已通过声发射技术的参数分析和波形分析实现了对热障涂层损伤失效的定性、定量和定位分析,并对涂层寿命进行了预测。参数分析是以多个简化的波形特征参数来表示声发射信号的特征,即对一些特征量进行统计的过程,如能量、频率、幅度等。采用声发射特征参数法可定量评估热障涂层的损伤程度并对涂层的寿命进行预测。目前人们从连续损伤累计、某一特定参量变化等多个角度预测热障涂层的寿命,但是各种寿命预测模型主要是根据实验结果的经验或半经验公式,随着热障涂层的发展以及对热障涂层失效机理认识的不断加深,寿命预测模型也在不断发展与完善。波形分析是通过对声发射信号的时域波形或频谱特征分析来获取缺陷信息的一种信号处理方法。从理论上讲,波形分析应当能给出任何所需的信息,因而波形也是表达声发射源特征最精确的方法,目前主要通过小波变换把声发射波形信号从时域变换到频域,进而识别其损伤模式并实现声发射源的定位。本文对声发射技术进行了简要的介绍,总结了声发射技术参数分析和波形分析在热障涂层损伤模式识别、损伤位置的定位、损伤程度的定量评估和剩余寿命预测方面的研究进展,指出了当前研究中存在的问题并对其下一步的发展进行了展望。     

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.     

热障涂层技术在航空发动机涡轮叶片上的应用

经济和技术的快速发展有效地推动了我国航空发动机发展,新时期高推重比航空发动机已经成为航空发动机发展的主要方向,在提高航空发动机推重比的众多措施中最直接方式是提高航空发动机涡轮进口温度,以使得航空发动机在工作过程中能够更好地加热、压缩空气,从而使得航空发动机能够产生更高推重比。而航空发动机涡轮进口温度主要受航空发动机涡轮叶片承温能力影响。热障涂层应用于航空发动机涡轮叶片上将有助于提高航空发动机涡轮叶片承温能力。本文将就航空发动机涡轮叶片热障涂层的特点及技术应用进行分析阐述。     

高熵稀土氧化物热障涂层材料研究进展

热障涂层(Thermal barrier coating, TBC)材料在航空发动机和燃气轮机的热防护中具有保护高温合金基底免受氧化及腐蚀,并降低高温合金的工作温度的重要作用。新型热障涂层材料中存在许多高熵稀土氧化物,能够实现比单一主成分稀土氧化物更优异的热学、力学、高温相稳定性以及抗烧结、耐腐蚀等性能。但是目前对高熵稀土氧化物的研究仍然停留在初步阶段,其中稀土元素对材料性能的作用尚未完全明确,且没有形成统一标准。简要概述了热障涂层的基本结构,并重点总结了高熵锆酸盐、铈酸盐、铪酸盐、钽酸盐和铌酸盐等5种高熵稀土酸盐的晶体结构、热物理性能与力学性能。对比分析了其与相应的单一组分稀土酸盐的差异,并探讨了影响其性能优劣的多种因素。相比于单一组分稀土氧化物,高熵稀土氧化物的热导率、热膨胀系数和相稳定性均有明显改善。最后,展望了未来高熵稀土热障涂层的发展方向。     

EB-PVD在热障涂层中的研究及应用

EB-PVD是以高能电子束为热源的一种蒸发镀膜技术.在真空的环境下,高能离子束轰击靶材(金属,陶瓷等),使其融化、升华、蒸发,最后沉积在基片上.由于EB-PVD技术具有蒸发和沉积速率高,涂层致密,化学成分易于精确控制,可得到柱状晶组织,无污染,热效率高,基片与薄膜之间有较强的结合力等诸多优点,已被广泛应用于国防和民用领域.本文介绍了EB-PVD技术在制备热障涂层时优势、不足与改进措施.     

热障涂层寿命预测的研究现状及展望

热障涂层是航空发动机和燃气轮机高温部件的关键材料,使用寿命预测与安全评估一直是热障涂层应用研究的重点。介绍了热障涂层寿命预测模型的建立、发展及其应用软件的研发现状,展望了热障涂层寿命预测模型的发展趋势。     

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.     

热震中7YSZ热障涂层结构演变

采用低温超音速等离子喷涂(LT-HVOF)在镍基高温合金基体上制备了NiCoCrAlYTa粘结层, 使用大气等离子喷涂(APS)在粘结层上`制备了7wt%Y₂O₃-ZrO₂ (7YSZ) 陶瓷层。基于动态试验即热震实验研究了粘结层的扩散氧化机制, 探讨了陶瓷层的烧结及相变过程并观察了涂层的结构演变。实验结果表明: 动态热循环下随着热震次数的增加, 粘结层组元扩散氧化形成热生长氧化物(TGO)且厚度逐渐增加。此外, 粘结层组元在温度梯度下沿陶瓷层内部裂纹向高温区扩散, 最终在陶瓷层表面裂纹区域出现大量的金属氧化物, 同时粘结层组元的扩散有助于陶瓷层的烧结, 导致其显微硬度逐渐增大, 而粘结层由于Kirkendall效应, 其内部出现大量的孔洞导致其显微硬度逐渐降低。另外, 陶瓷层在相变及热循环应力的作用下表面出现了大尺度的宏观裂纹。     

Application of Rare Earths in Thermal Barrier Coating Materials

Rare earths are a series of minerals with special properties that make them essential for applications including miniaturized electronics, computer hard disks, display panels, missile guidance, pollution controlling catalysts, H2-storage and other advanced materials. The use of thermal barrier coatings （TBCs） has the potential to extend the working temperature and the life of a gas turbine by providing a layer of thermal insulation between the metallic substrate and the hot gas. Yttria （Y203）, as one of the most important rare earth oxides, has already been used in the typical TBC material YSZ （yttria stabilized zirconia）. In the development of the TBC materials, especially in the latest ten years, rare earths have been found to be more and more important. All the new candidates of TBC materials contain a large quantity of rare earths, such as R2Zr207 （R=La, Ce, Nd, Gd）, CeO2-YSZ, RMeAI11019 （R=La, Nd; Me=Mg, Ca, Sr） and LAP04. The concept of double-ceramic- layer coatings based on the rare earth materials and YSZ is effective for the improvement of the thermal shock life of TBCs at high temperature.     

梯度热障涂层的发展和未来应用

综述了梯度热障涂层的发展历史及工艺方法演变，并对其基本设计原理和国内外应用现状与前景作了阐述。     

Application Study on Ceria Based Thermal Barrier Coatings

The industrial application of APS sprayed YPSZ coatings for thermal insulation is established in several branches. As the main potential to increase the efficiency of combustion processes is thermal efficiency and the state‐of‐the‐art systems are limited to surface temperatures below 1200°C for long term applications, there is interest in concepts, that allow an increase of the process temperature. Ceria and ceria based ceramics show an outstanding potential for use at temperatures exceeding 1200°C. A triple‐layer thermal barrier system in consideration of the established system – MCrAlY bond coat and YPSZ – and an additional ceria based top coating are investigated. TBC systems with two different ceria powders are produced by APS and HVOF spraying and evaluated with concern to the microstructure, bond strength, thermal shock behaviour and long term compatibility of the constituents. HVOF sprayed coatings contain more oxygen, are more dense than APS sprayed coatings and do not show segmentation due to cracks perpendicular to the surface. APS sprayed pure ceria coatings show a columnar morphology inside single splats forming the coating. The bond between YPSZ and ceria and the total bond strength of the thermal barrier system exceeds the cohesion inside the ceria coating. The thermal shock resistance of ceria coatings with high silica and sulphur content is low. Long term sintering investigations prove the compatibility of ceria and YPSZ at 1150°C.