一种长寿命热障涂层——LaMgAl_(11)O_(19)/YSZ双陶瓷层介绍

本文通过固相反应合成LaMgAl11O19热障涂层新材料,用喷雾干燥的方法制备粉末,用等离子喷涂方法制备LaMgAl11O19/YSZ双陶瓷层热障涂层,通过热循环实验测试了涂层的热循环性能,并分析了涂层失效机理。研究结果表明LaMgAl11O19/YSZ双陶瓷层热循环寿命比8YSZ的热循环寿命长得多,是一种非常有应用前景的热障涂层新材料。     

镀铝表面改性7YSZ纳米热障涂层热震性能分

为提高7YSZ纳米热障涂层的热震性能, 实验中采用超音速火焰喷涂(HVOF)在涡轮叶片模拟工件上制备了粘结层NiCrCrAlYTa, 再使用大气等离子喷涂(APS)在粘结层上制备了7YSZ纳米陶瓷层。采用磁控溅射在7YSZ热障涂层样品表面镀铝, 并在不同压力下(200、250、300 Pa)对镀铝样品进行热处理表面改性。对喷涂态样品和镀铝改性后样品进行水淬热震实验, 1050℃保温10 min+水冷5 min为一个热循环, 观察热障涂层镀铝改性前后样品在水淬热循环过程中形貌和结构演变。实验结果表明, 镀铝改性后样品表面存在铝薄膜蒸发、凝固后形成的疏松纳米Al晶粒表层以及由Al和ZrO₂原位反应形成的致密α-Al₂O₃底层。在镀铝样品热处理过程中, 随着压力升高, 疏松层致密度逐渐增加。不同热处理压力下镀铝表面改性后样品经过73次水淬热循环后剥落面积均小于喷涂态样品, 显示出良好的抗热震性。     

等离子喷涂热障涂层多层结构的研究进展

基于热障涂层的发展现状，总结了SPS（悬浮液等离子喷涂）、SPPS（溶液前驱体等离子喷涂）及PS-PVD（等离子喷涂-物理气相沉积）技术及其制备的热障涂层结构性能特点；综述了等离子喷涂热障涂层单层、多层和梯度涂层的发展，着重总结了La₂Zr₂O₇、Gd₂Zr₂O₇、La₂Ce₂O₇ 3种陶瓷材料体系结构变化对涂层性能的影响；展望了热障涂层多层结构的发展前景。     

Gd2Zr2O7陶瓷的高温热物理性能及Gd2Zr2O7-8YSZ双涂层制备

通过高温固相合成方法制备了烧绿石结构Gd₂Zr₂O₇陶瓷材料,研究了其高温相稳定性和热物理性能。采用电子束物理气相沉积方法制备了Gd₂Zr₂O₇-8YSZ(8%Y₂O₃-ZrO₂)双陶瓷层结构热障涂层,分析了涂层顶层的晶体结构和原子数量比。结果表明,Gd₂Zr₂O₇在室温至1500℃范围内具有良好的相稳定性,比第一代热障涂层8YSZ的高温相稳定区间提高250℃以上。Gd₂Zr₂O₇块材的热膨胀系数在100~1500℃范围内介于8.8×10^-6~11.0×10^-6 K^-1之间,与8YSZ接近; 在1000~1400℃高温区间,热导率约为1.0 W(m·K)^-1,比8YSZ降低一半左右。沉积制得的Gd₂Zr₂O₇涂层化学成分符合化学计量比,为烧绿石结构,涂层呈现典型的柱状晶结构。     

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。     

烧结硬化行为对双陶瓷层热障涂层服役寿命的影响

锆酸钆(Gd₂Zr₂O₇,GZO)在其熔点以下具有稳定的相结构,并且热导率较低,是替代氧化钇稳定氧化锆(yttria-stabilized zirconia, YSZ)成为热障涂层(thermal barrier coatings, TBCs)的陶瓷层部分的最有潜力的材料之一。但是,较低的断裂韧性制约着GZO的工程应用。为了实现GZO-TBCs的长寿命服役,制备了YSZ+GZO双陶瓷层TBCs,并通过分析涂层在高温下的结构演变规律来揭示双陶瓷涂层长寿命服役机理。结果表明,相比于单层GZO的TBCs, YSZ+GZO双陶瓷TBCs的热循环寿命提高了12倍。进一步研究GZO涂层在热循环过程中的失效行为,结果表明,GZO涂层在热循环后未发生相变,经1250和1450℃热暴露100 h后,其表观孔隙率分别下降了46.0%和59.8%,硬度则分别提高了79.0%和123.8%,且在热暴露初期变化较快,后期渐渐减缓。观察发现,GZO涂层在高温热暴露过程中层内纵向裂纹、层间未结合区域和球状孔隙等微观缺陷的逐渐愈合,导致涂层致密度提高、...     

YZrHf热障涂层的制备及热震性能分析

目的 研究喷涂态YZrHf热障涂层的微观组织及其抵抗高温热冲击的性能,探讨高温条件下热生长氧化物(TGO)对陶瓷层的影响。方法 采用大气等离子喷涂(APS)技术制备厚度约为300μm的YZrHf热障涂层,并将涂层在950℃下保温15 min后进行水冷循环热震实验,直至涂层剥落失效,使用SEM、EDS、X射线衍射仪对制备态及热震实验后的热障涂层微观组织进行分析。结果 涂层表面粗糙不平且分布有十几到几十微米长度的网状裂纹,这些相互贯通的裂纹为氧气的进入提供了通道。经过101次循环热震实验后,涂层部分区域剥落失效,SEM结果显示,在陶瓷层/黏结层界面处、黏结层内部均出现了热生长氧化物,且在陶瓷层中分布有横向、纵向的贯通性裂纹,而在TGO生长区域,也出现了一些小裂纹,但涂层并未剥落。经测定分析可知,TGO的主要成分为Al₂O₃、Cr₂O₃、NiO以及尖晶石氧化物组成的混合物(CSN)。结论 热震实验后TGO层中Al元素贫化,Ni、Cr等元素向界面处迁移参与反应,同时尖晶石氧化物以α-Al₂     

等离子喷涂铈酸镧热障涂层

采用等离子喷涂铈酸镧（La₂Ce₂O₇, LC）粉末制备了铈酸镧热障涂层（TBCs）.由于等离子喷涂过程中CeO₂的挥发量较多,造成涂层的实际成分为La₂Ce_1.66O_4.32,与原始粉末成分相比有所偏离.在1400℃下经240h热处理后LC涂层发生轻微的分解.在1000℃下LC块材的热导率约为0.51W/(m·K),比传统的氧化钇部分稳定的氧化锆（YSZ）块材的热导率降低了约75%.LC涂层的热膨胀系数（CTE）在450～1100℃范围内介于10×10^-6～13×10^-6K^-1,与相应温度范围内的YSZ相比较高.热膨胀性能测量表明,LC涂层从室温升到1250℃时发生轻微的烧结,在1250℃保温过程发生明显的烧结现象.LC热障涂层在1100℃条件下经60次热循环后从陶瓷层内部发生剥落.     

SiC纤维/YSZ复合热障厚涂层韧性及热震性能研究

采用大气等离子喷涂(APS)技术, 以ZrO₂-8wt%Y₂O₃(8YSZ)和团聚的P7216(8YSZ和珍珠岩粉)粉末为原料, 在基体上制备了厚度大于4 mm的SiC纤维/YSZ(SFY)复合厚热障涂层, 通过扫描电子显微镜(SEM)分析了涂层的显微结构, 发现SFY涂层具有钢筋混凝土结构, 这种结构能够防止因为涂层厚度增加而引起的失效。此外, 基于计算机的断层成像技术分析热障涂层孔隙率的变化, 考察了SFY涂层和YSZ 热障涂层的抗热震性能、断裂韧性以及热导率性能, 并探讨了纤维的增韧机制。研究结果表明, SFY涂层具有更高的断裂韧性值和更好的抗热震性能, 25℃时SFY涂层的热导率为0.632 W/(m·K), 大约是传统YSZ热障涂层热导率的一半。SiC纤维对涂层内部裂纹的偏转和截止作用, 防止了裂纹扩散长大, 形成网状微裂纹结构, 有效提高了涂层的抗热震性能和断裂韧性。     

8YSZ/Y3Al5O12:Ce3+光敏复合热障涂层的等温氧化及光谱响应特性

为了监测热障涂层在氧化过程中陶瓷层内部的残余热应力,制备了Y₃Al₅O₁₂:Ce³⁺含量不同的8YSZ/Y₃Al₅O₁₂:Ce³⁺光敏复合热障涂层。研究了Y₃Al₅O₁₂:Ce³⁺不同含量下8YSZ/Y₃Al₅O₁₂:Ce³⁺光敏复合热障涂层等温氧化过程的失效机理,阐述了陶瓷层内部残余热应力与Y₃Al₅O₁₂:Ce³⁺的发射光谱的峰值波长之间的内在响应机制;同时研究了8YSZ/Y₃Al₅O₁₂:Ce³⁺光敏复合热障涂层陶瓷层发射光谱峰值波长偏移量与氧化时间的关系,并拟...     

热处理温度对LaMgAl11O19涂层热/力学性能的影响

大气等离子喷涂制备的LaMgAl₁₁O₁₉ (LMA)热障涂层无定型相含量较高, 会严重影响涂层服役寿命。通过900~1600 ℃不同温度热处理12 h, 研究晶粒尺寸和孔隙率等微观结构和无定形相含量对LMA涂层力学、热物理以及抗热震性能的影响。结果表明: 喷涂态LMA涂层具有900和1163 ℃两个结晶温度点。900 ℃热处理后, LMA涂层中含有较多的无定形相以及最高的孔隙率((18.88±2.15)%), 1000 ℃测试时,具有最低的热扩散系数(0.53 mm²/s); 由于重结晶和烧结作用使得无定型相含量和孔隙率降低, 1100~1400 ℃之间热处理的涂层具有较高的硬度(1100℃时达到最高值(12.08±0.58) GPa); 1300 ℃热处理的涂层中含有大量微米级片状晶, 具有较高的应变容限以及平均热循环寿命(588次); 热处理温度达到1500 ℃时, 由于片状晶平行堆叠, 晶粒厚度迅速增加, 孔隙率增加、力学性能显著降低。热震过程中由于热应力的反复作用, 涂层内出现晶粒破碎和裂纹扩展等现象, 导致涂层最终失效。     

La_2O_3和Y_2O_3掺杂ZrO_2复合材料的高温相稳定性、抗烧结性及热导率

采用化学共沉淀煅烧法制备不同La2O3掺杂量的La2O3-Y2O3-ZrO2(YSZ)复合陶瓷粉末,研究该复合陶瓷粉末的高温相稳定性、抗烧结性及热物理性能,并与传统应用的YSZ陶瓷粉末进行对比,以探讨La2O3-YSZ作为热障涂层材料应用的可能性。采用XRD分析陶瓷粉末的晶体结构和物相组成,研究La2O3掺杂量对YSZ高温相稳定性的影响。采用SEM观察陶瓷烧结体的微观形貌,研究La2O3掺杂对YSZ抗烧结性的影响。采用激光脉冲法测定热扩散率,通过计算得到材料的热导率。结果表明:YSZ和不同La2O3掺杂量的La2O3-YSZ均由单一的非平衡四方相ZrO2(t′-ZrO2)组成。经1 400℃热处理100h后,YSZ中t′-ZrO2完全转变为立方相ZrO2(c-ZrO2)和单斜相ZrO2(m-ZrO2),在0.4mol%~1.4mol%La2O3掺杂范围内,La2O3-YSZ的相稳定性均优于YSZ,其中1.0mol%La2O3掺杂的YSZ(1.0mol%La2O3-YSZ)经热处理后无m-ZrO2生成,表现出良好的高温相稳定性。此外,1.0mol%La2O3-YSZ较YSZ具有较高的抗烧结性和较低的热导率。在室温至700℃范围内,1.0mol%La2O3-YSZ的热导率为1.90~2.17 W/(m·K),明显低于YSZ的热导率(2.13~2.33 W/(m·K))。     

YSZ-Ti3AlC2热障涂层及其高温自愈合行为

采用Ti₃AlC₂作为新型自愈合剂, 利用大气等离子喷涂将混合均匀的YSZ-Ti₃AlC₂粉体制成厚涂层。为观测高温下涂层氧化及裂纹的自愈合行为, 通过外加载荷的方式在涂层表面预制裂纹, 并将样品置于1050℃空气气氛中进行热处理。通过分析涂层制备、热处理前后的物相和形貌演变发现：涂层中的部分Ti₃AlC₂在喷涂后分解为TiC, 热处理后涂层表面形成外层为TiO₂, 内层为TiO₂和Al₂O₃混合物的双层结构。在自愈合过程中, 裂纹内的愈合剂氧化生成Al₂O₃与低密度的TiO₂, 随着扩散控制的氧化反应不断进行, 氧化物逐渐积累并填补裂纹。此外, 在TiO₂生成的同时引起的体积膨胀使裂纹周围产生一定的压应力, 强化愈合效果, 最终完全愈合裂纹。     

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)。     

单相双稀土改性SrZrO3热障涂层的热物理性能

由于SrO和ZrO₂的蒸气压不同, 造成等离子喷涂SrZrO₃涂层组分偏离原始粉末化学计量比, 从而导致制备态涂层中出现第二相ZrO₂。为了获得高相稳定性的单相涂层, 实验采用固相合成法合成并经过喷雾造粒制备了双稀土改性Sr过量SrZrO₃(Sr_1.1(Zr_0.9Yb_0.05Gd_0.05)O_3.05)热喷涂粉末, 采用大气等离子喷涂方法制备了相应的涂层, 研究了单相双稀土改性SrZrO₃热障涂层的热物理性能及其热循环寿命。研究结果表明, 制备态Sr_1.1(Zr_0.9Yb_0.05Gd_0.05)O_3.05涂层中无第二相产生, 1600 ℃热处理360 h后Sr_1.1(Zr_0.9Yb_0.05Gd_0.05)O_3.05保持单相SrZrO₃结构, 高温相稳定性良好。Sr_1.1(Zr_0.9Yb_0.05Gd_0.05)O_3.05涂层的烧结系数为7.27×10 ^-6 s ^-1, 热处理360 h后该涂层的热膨胀系数为(9.0~11.0)×10 ^-6 K ^-1 (200~1400 ℃), 热导率为2.83 W/(m?K) (1000 ℃)。Sr_1.1(Zr_0.9Yb_0.05Gd_0.05)O_3.05/YSZ双层涂层的火焰循环次数为1000次, 失效区域主要发生在Sr_1.1(Zr_0.9Yb_0.05Gd_0.05)O_3.05陶瓷层内。在喷涂粉末中增加SrO的含量能够弥补在大气等离子喷涂过程中Sr元素过量挥发的问题, 成功制备了单相双稀土改性Sr_1.1(Zr_0.9Yb_0.05Gd_0.05)O_3.05热障涂层。双稀土掺杂能够明显提高涂层的热膨胀系数, 且单相双稀土改性Sr_1.1(Zr_0.9Yb_0.05Gd_0.05)O_3.05涂层的抗烧结性能明显优于SrZrO₃涂层, 但单相Sr_1.1(Zr_0.9Yb_0.05Gd_0.05)O_3.05涂层热导率比含有第二相的SrZrO₃涂层高。     

8YSZ双层热障涂层缺陷演变与微裂纹水浸超声宏观检测

采用PASCAN-64型水浸超声设备并配合扫描电镜对8wt %Y₂O₃-ZrO₂(8YSZ)双层热障涂层热震过程中内部组织结构演变进行了检测。结果表明, 当超声波从垂直陶瓷层方向入射至粘结层反射所获得的回波信号影像主要反映了陶瓷层组织结构演变, 从垂直基底方向入射至粘接层/陶瓷层界面处反射所获得的回波信号影像主要反映了热生长氧化物层组织结构演变, 从垂直陶瓷层方向透射整个试片所获得的回波信号影像综合反映了整个涂层组织结构演变。当陶瓷层中均匀分布着孔隙率<11%、最大横向尺寸<50 μm的孔隙以及热生长氧化物层主要为致密的α-Al₂O₃时, 回波信号的幅值dB<0, 反映在影像中的信号分布均匀, 表明涂层处于良好状态。当陶瓷层中均匀分布着孔隙率>44%、最大横向尺寸>100 μm的孔隙以及热生长氧化物层主要为具有稀疏结构且厚度>5.2 μm的Cr、Co氧化物时, 回波信号的幅值dB>0的区域连接成片, 则预示着涂层即将失效或已失效。可见, 水浸超声技术能够较准确地反映热障涂层内部组织结构演变, 是一种较好的热障涂层内部缺陷的无损检测方法。