等离子喷涂纳米结构YSZ涂层的结构与性能

利用大气等离子喷涂技术在300、400和500 A电流下分别制备具有不同纳米结构及含量的涂层,于1 300℃高温下分别保温20 h与50 h后,采用场发射扫描电镜,X射线衍射技术及努氏压痕法研究涂层中纳米结构的变化。在1 000℃下进行热震性能测试,观察涂层结构对抗热震性能的影响。结果表明,300、400和500A电流下涂层的平均晶粒尺寸分别为62、98和104 nm,而300 A电流下涂层具有非常高的孔隙率,约44.8%±8%。高温加热后纳米结构涂层出现烧结收缩,涂层孔隙率降低,弹性模量增加。涂层初始纳米区域颗粒尺寸越低与完全熔化区域烧结速度差异越大越有利于涂层的抗烧结性。当涂层中含有较多纳米区域时涂层抗热裂纹扩展能力有所提高,但是较高的孔隙率加速了涂层与粘结层界面的失效,此时通过降低粉体熔化程度提高纳米区域含量对热障涂层的寿命有负面作用。     

不同结构等离子喷涂热障涂层的性能研究

通过等离子喷涂,制备了常规层状结构、垂直裂纹结构的氧化钇部分稳定氧化锆(YSZ)和铈酸镧(LCO)热障涂层,分析了涂层的微观形貌及性能。结果表明:对于YSZ涂层,垂直裂纹结构的结合强度是层状结构的1.8倍;LCO涂层的微观结构对喷涂工艺比较敏感,适当降低喷涂功率有助于提高扁平化粒子间的结合,缓解涂层中横向裂纹的产生,促进垂直裂纹形成;与层状结构的LCO/YSZ双层涂层相比,垂直裂纹结构的LCO/YSZ双层涂层的结合强度和抗热震性能未明显提高。     

Properties of Induction Plasma Sprayed Iron Based Nanostructured Alloy Coatings for Metal Based Thermal Barrier Coatings

Metal-based thermal barrier coatings (MBTBCs) have been produced using high frequency induction plasma spraying (IPS) of iron-based nanostructured alloy powders. The study of MBTBCs has been initiated to challenge issues associated with current TBC materials such as difficult prediction of their “in-service” lifetime. Reliability of TBCs is an important aspect besides the economical consideration. Therefore, the study of MBTBCs, which should posses higher toughness than the current TBC materials, has been initiated to challenge the mechanical problems of ceramic-based TBCs (CBTBCs) to create a new generation of TBCs. The thermal diffusivity (TD) (α) properties of the MBTBCs were measured using a laser flash method, and density (ρ) and specific heat (C _p) of the MBTBCs were also measured for their thermal conductivity (k) calculation (k = αρ C _p).     

低压等离子喷涂纳米YSZ涂层的结构及力学性能

采用低压等离子喷涂技术制备具有新型结构的纳米YSZ涂层,研究电弧电流和粉末松装密度对涂层微观结构以及力学性能的影响。结果表明,松装密度为0.95g/cm3的粉末在喷涂过程中因电流升高而引起的晶粒生长的程度远低于松装密度为1.4g/cm~3的粉体。当电流超过350A后,两种粉末所对应的涂层的Weibull模量分布均发生从二元结构向单一值的转变,但转变后涂层的结构均呈现出有别于传统涂层结构的细等轴晶结构。硬度与弹性模量的分析结果表明具有细等轴晶结构的涂层较在350A电流下形成的二元结构纳米涂层具有更高的平均硬度与弹性模量。当采用密度为1.4g/cm~3的粉末时,所对应涂层的断裂韧性Weibull曲线随电流波动较大。     

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。     

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。     

等离子喷涂8YSZ涂层在铝熔体作用下热冲击行为的数值模拟

目的定量理解等离子喷涂8YSZ热障涂层浸入铝熔体中的热冲击行为。方法基于热-力耦合计算方法有限元数值模拟,研究等离子喷涂8YSZ热障涂层浸入铝熔体时涂层中的瞬态温度场和瞬态应力场,以及涂层预热温度、陶瓷层厚度对应力分布的影响。结果温度场计算表明,在涂层浸入铝熔体0.1 s时,涂层表面就达到了铝熔体温度。随着涂层浸入铝熔体的时间增加,涂层内的温度分布逐渐由指数分布转变为近线性分布,而且涂层内的温度梯度也随着时间的增加而减小。相应涂层中的应力在相当短的时间内就达到了最大值,并随着加热时间的增加,最大应力值逐渐减小。涂层预热温度越高,在陶瓷层中的轴向应力和环向应力均越小,预热温度对轴向应力的影响更加明显。随着陶瓷层厚度的增加,陶瓷层内的轴向应力和环向应力值均增加,粘结层内的轴向应力和环向应力值均减小。结论对热障涂层进行预热处理可以有效降低涂层中的热应力值。涂层厚度增加,陶瓷层内应力随之增加,粘结层内应力随之减小,且陶瓷层厚度对粘结层中的应力影响更加明显。     

纳米结构YSZ热障涂层在薄片合金基板上的制备及性能研究

通过大气等离子体喷涂在GH4049薄壁合金上制备了纳米结构的ZrO_2-8%Y_2O_3热障涂层,分析了涂层的抗热震性能和热腐蚀性能。结果表明制备态的涂层为t'相;900℃热震150次后,表面裂纹开始快速生长;热腐蚀150 h后,表面出现束状的YVO_4产物。     

Remaining Fatigue Life Assessment of Plasma Sprayed Thermal Barrier Coatings

Ceramic functional coatings are frequently applied to structural materials, covering a wide range of thermomechanical and electrochemical applications. The main limiting feature is their reliability when subjected to cyclic transient thermal stresses. The study described in this article is a continuation of earlier research study focused on acoustic emission (AE) monitoring of the thermomechanical aging effects in ceramic coatings. Here, emphasis is placed on the usefulness of combining AE short-term monitoring with finite element modeling (FEM) to predict the performance of such coatings when subjected to cyclic thermal loads. The FEM study presented in this article is based on a three-dimensional, time-dependent approach, of the stress fields that developed within the coatings during the post-deposition cooling step and the thermal cycling. Experiments were conducted using yttrium-stabilized zirconia (YSZ) and Alumina (Al₂O₃) ceramic coatings combined with a NiCr-based intermetallic bond coat.     

Thermal Cyclic Fatigue Behavior of Nanostructured YSZ/NiCrAlY Compositionally Graded Thermal Barrier Coatings

Oxidation of Metals - In this research, thermal cyclic fatigue (TCF) behavior of a compositionally graded layer (CGL) nanostructured coating was investigated and compared with the TCF behavior of a...     

热喷涂NiCoCrAlYTa+7YSZ热障涂层颗粒沉积行为

分别采用低压等离子喷涂和大气等离子喷涂在K4169基体上收集了NiCoCrAlYTa颗粒沉积物及涂层,并对颗粒沉积物的形貌及涂层性能进行了观察分析。结果表明:低压等离子喷涂收集到的单个NiCoCrAlYTa扁平颗粒主要呈圆盘状,涂层致密且氧含量低。而大气等离子喷涂收集到的扁平颗粒主要呈溅射状,涂层孔隙率和氧含量均较高。又在经镜面抛光的NiCoCrAlYTa涂层和K4169基体上分别收集了7YSZ颗粒沉积物,并对其沉积形貌进行了观察分析,结果表明:在K4169基体上收集到的7YSZ颗粒沉积物主要呈圆盘状,表面存在大量的网状微裂纹及宏观环状贯通裂纹。在镜面抛光的NiCoCrAlYTa涂层表面收集的7YSZ颗粒沉积物,周围有少量的指状溅射物,中心部存在一定数量的网状微裂纹,但宏观环状裂纹消失。     

等离子喷涂氧化铝碳纤维复合涂层的结构及耐磨性能

采用机械球磨方法制备了短线碳纤维,并与氧化铝粉末充分混合,利用等离子喷涂工艺制备了碳纤维质量分数为4%的复合涂层。利用场发射扫描电镜、拉曼光谱、X射线衍射、拉伸试验、摩擦磨损试验等对复合涂层的结构和性能进行了表征和测试分析。结果表明,碳纤维在等离子喷涂过程中较好地保持了原有结构和形貌,主要存在于氧化铝扁平粒子界面,碳纤维的加入使氧化铝涂层与基体之间的结合强度增加了38%,复合涂层耐磨性能比纯氧化铝涂层提高了64%,摩擦因数降低了50%。涂层耐磨性能的改善主要归功于参与磨损的碳纤维本身优异的润滑性能及其对氧化铝扁平粒子界面的结合作用,该复合涂层在低载荷摩擦磨损环境中具有潜在的应用价值。     

热喷涂热障涂层孔隙与涂层性能关系研究进展

孔隙在热障涂层中较为常见,孔隙对热障涂层的性能有利有弊。对热障涂层陶瓷层中孔隙的形成机理进行了综合分析,总结了热障涂层孔隙结构的调控方法,讨论了孔隙结构特征对热障涂层隔热性能和力学性能的影响。孔隙结构的引入将引起力学性能的下降,同时降低热障涂层的热导率,提高隔热效果。孔隙结构特征参数包括孔隙形状、孔隙间距、孔隙倾斜角、孔隙高宽比等,其中孔隙的倾斜角和高宽比对涂层导热性能的影响尤为重要,是孔隙结构的关键特征参数。通过原始粉末孔隙结构的保留、造孔剂(有机造孔剂、无机造孔剂)的搭配造孔、制备工艺(临界等离子喷涂参数、粒子扁平率等)的调节以及后续的孔隙处理,可实现热障涂层孔隙结构的调控。在实际应用过程中应同时兼顾力学性能和隔热性能,最重要的是保证热障涂层的有效寿命,需要综合考虑力学性能与导热性能的匹配。通过热障涂层孔隙结构特征的设计及分布控制,可实现孔隙结构高性能、高可靠性热障涂层的制备。     

激光合金化掺杂TiC对等离子喷涂8YSZ热障涂层热腐蚀行为的影响*

传统的等离子喷涂热障涂层在高温环境下服役易受熔融腐蚀盐渗透而过早剥落失效,研究激光合金化掺杂自愈合材料 TiC 对热障涂层热腐蚀行为的影响具有重要意义。采用大气等离子喷涂技术（Atmospheric plasma spray,APS）在 Inconel 718 镍基高温合金表面制备 NiCrAlY 粘结层,采用大气等离子喷涂技术在 NiCrAlY 粘结层上制备 8 wt.%氧化钇部分稳定的氧化锆（8 wt.% yttria partially stabilized zirconia,8YSZ）陶瓷层,构建典型双层结构热障涂层体系。采用 1 kW 光纤耦合激光器将自愈合材料 TiC 熔于 8YSZ 热障涂表层,并考察其在 900 ℃下 25%NaCl+75%Na₂SO₄混合熔盐中保温 4 h 的热腐蚀行为。结果表明,与等离子喷涂涂层相比,激光合金化改性热障涂层表面更加光滑,分布有网状裂纹,且结构致密。等离子喷涂涂层的热腐蚀产物主要是针状颗粒 Y₂(SO₄)₃ 和 m-ZrO₂,但仅有较少的热腐蚀盐渗透至激光合金化改性热障涂层内部,其热腐蚀产物为 Y₂(SO₄)₃ 和少量的 TiO₂。激光合金化改性热障涂层的抗热腐蚀性能较等离子喷涂态热障涂层提升 55.5%,一方面激光合金化改性层组织致密,可阻止热腐蚀盐渗透至涂层内部,另一方面,激光合金化改性热障涂层表面粗糙度更低,能减少与热腐蚀盐的接触面积。此外,自愈合材料 TiC 在高温下发生氧化反应引起体积膨胀,实现裂纹的部分自愈合效应,进一步阻止了热腐蚀反应的发生。采用激光表面改性技术将自愈合材料 TiC 引入热障涂层,激光合金化改性热障涂层不仅具有光滑的表面形貌,还具有致密的微观组织结构;同时自愈合材料 TiC 在高温环境下的裂纹自愈合效应有助于抑制热腐蚀盐的渗透, 最终提高热障涂层的抗热腐蚀性能。     

YSZ热障涂层材料时效分析

以YSZ热障涂层材料(TBCs)在长时间高温时效下发生相变老化为背景,实验利用等离子喷涂制备7YSZ热障涂层陶瓷材料,利用SEM观察其微观形貌,在1300℃对样品进行高温时效测试,利用XRD图谱定量计算样品相组成随时效热处理时间的变化,得到YSZ在1300℃时效下的相组成变化规律。     

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.     

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。     

等离子喷涂纳米氧化锆涂层研究进展

等离子喷涂氧化锆涂层用作航空和陆基发动机热保护已经有数十年历史,取得了很好的效果.为了进一步提高发动机的效率和寿命,人们致力发展新的涂层材料和改进现有涂层的结构和性能.文中叙述了中国科学院上海硅酸盐研究所在等离子喷涂纳米氧化锆涂层方面的近期研究结果.通过工艺参数调整控制涂层微观结构,制备了具有纳米结构的3 % Y2O3-ZrO2涂层;较为系统地测定了涂层的物理、力学和热物性能;对比了纳米和常规氧化锆涂层的抗热震行为,初步阐述了不同涂层的热震破损失效机制;对涂层的生物活性和细胞相容性亦进行了初步评价.此外,还展望了等离子喷涂纳米氧化锆涂层的未来研究工作方向.