陶瓷热障涂层的隔热效果研究

通过理论公式推导和试验测量,得出 :热障涂层的隔热效果与环境温差成正比,但同等环境温差下涂层在更高的温度工作时,由于涂层材料导热系数的增大,其隔热效果减小。涂层厚度与隔热效果在实际涂层应用的厚度范围内也接近线性关系。随着发动机叶片冷却气流换热系数增大,热障涂层的隔热效果也越大,但两者并不是线性关系。涂层隔热效果随导热系数的减小而增大,并且在低导热系数区,热障涂层隔热效果对导热系数的变化更敏感。随着涂层的厚度增大,导热系数的改变所具有的增加涂层隔热效果的作用越大;但涂层越厚,单位厚度涂层导热系数改变所取得的隔热效果越低     

航空发动机涡轮叶片热障涂层应用的关键技术和问题

热障涂层是提高涡轮叶片可靠性和服役寿命的关键技术。从热障涂层的粘结层与涡轮叶片高温合金基体的匹配性、CMAS(一种基于CaO、MgO、Al2O3和Si O2等多种氧化物构成的环境沉积物)形成及其对热障涂层的损伤和相应的防护、叶片热障涂层厚度分布的过程控制、热障涂层制备过程中气膜孔缩孔、热障涂层的在线无损检测及涂层返修以满足涡轮叶片全寿命周期需求等方面论述了航空发动机涡轮叶片热障涂层工程应用技术和需要解决的实际问题。     

热障涂层喷涂质量微焦点CT检测

采用微焦点X射线源对热障涂层样品进行了高分辨率X射线成像研究,采用多尺度对比度增强算法提高了热障涂层与基体之间的对比度.X射线图像显示热障涂层各处厚度差异较大,热障涂层内部可能存在大量孔隙.通过微焦点计算机层析成像(CT)对样品进行了高分辨率CT扫描与重建,得到了样品的CT重建图像.从热障涂层CT图像观察到热障涂层内部存在大量孔隙,且不同层孔隙尺寸、数量不同.结合3个坐标方向的切片图像分析了热障涂层深度方向的热障涂层厚度,得到了热障涂层厚度的二维分布,测量得到热障涂层平均厚度约为40μm.对沿热障涂层深度方向850~1131层切片图像,利用可视化软件VGstudio MAX得到了热障涂层内部孔隙三维分布.研究结果表明:微焦点CT可用于热障涂层制备工艺质量检测.      

热障涂层无损检测技术进展

热障涂层(TBC)是航空航天发动机涡轮叶片的主要防护材料,对其进行表面裂纹缺陷和界面脱粘缺陷的无损检测具有重大意义.对热障涂层的传统检测方法(如渗透检测、涡流检测、超声或超声显微检测等),以及新型红外热成像方法在内的无损检测方法进行了介绍和归纳,重点介绍了光激励、涡流激励和超声激励3种主动式红外热成像无损检测技术.其中,对激光扫描热成像法进行了详细介绍,该方法具有非接触、操作简单、灵敏度高、全场范围内检测快速的优点,能够实现宽度为10μm以上的裂纹和直径为1mm以上脱粘缺陷的无损检测;透射式涡流热成像具有识别小于1mm脱粘缺陷的能力.     

热障涂层厚度涡流检测技术研究

利用涡流检测技术,确定了热障涂层(TBCs)中各部分材料的电磁特性.根据TBCs结构特点及材料的电磁特性,建立了TBCs理论模型,进行了模拟试验,分析了影响厚度测量的影响因素.制作了不同结构的TBCs试样,进行了测量试验,取得了较为满意的结果,并得到了涡流检测TBCs厚度的校准试样要求.     

热障涂层电磁/电容复合检测技术研究

热障涂层能显著提升发动机叶片的耐高温能力,但由于其工作环境恶劣,容易发生裂纹、烧结、界面开裂、涂层脱落等失效现象。针对单一检测手段获取的信息量有限、难以实现热障涂层全面准确评估的现状,根据电磁法适合检测导电材料、电容法适合检测非导电材料的特点,提出了热障涂层电磁/电容复合检测技术,研究了所涉及的检测机理、复合式传感器设计以及涂层参数检测等关键问题。仿真和试验结果表明:传感器电磁检测单元和电容检测单元对涂层厚度的最大检测灵敏度分别达到0.1Ω/mm和15pF/mm,为涂层厚度及介电常数、电导率等参数的定量检测奠定了基础,为热障涂层全面准确的评估提供了有效的解决方案。     

基于红外热像技术的涡轮叶片损伤评价研究进展

主动红外热像技术作为一种新型无损检测手段,具有高效率、无污染、易操作等特点,适合用于材料表面和近表面缺陷检测,因此在叶片类薄壁零件损伤评价方面有一定优势。当前基于主动红外热像无损检测技术的高温涡轮叶片损伤评价研究主要集中于热障涂层厚度检测、涂层脱粘检测、涂层界面处热生长氧化物检测以及叶片基体疲劳裂纹检测4个方面。但现有研究仍然面临热激励理论不完善、红外热像仪识别精度不够高以及热图处理方法有待改进等主要问题和困难。随着这些理论问题和技术困难的解决,主动红外热像技术呈现出人工识别缺陷向自动识别发展、定性检测向定量检测发展的趋势。总体而言,该技术未来在涡轮叶片损伤评价方面具有较大的应用潜力。     

热障涂层表面裂纹水浸超声检测

为有效检测热障涂层(TBCs)表面裂纹,进行了热障涂层表面裂纹水浸超声检测技术的应用研究。以常用的大气等离子喷涂(APS)热障涂层作为试验材料,采用水浸超声检测回波声程差和C扫描图像对不同深度、宽度和长度的热障涂层表面裂纹进行了表征。结果表明:热障涂层基体材料对热障涂层表面裂纹的检测效果无明显影响;通过优化检测参数和合理选用仪器探头,利用水浸超声方法可实现对热障涂层表面深度为0.1 mm、长度为2 mm裂纹的有效检测;水浸超声检测技术可以获得裂纹的长度、深度参数,是解决热障涂层表面裂纹检测问题的有效方法。      

复合材料蜂窝板积水的脉冲热像检测的研究

 用数值模拟和实验研究了飞机蜂窝板积水的脉冲热像检测的规律。提出了蜂窝板积水检测的新型三维传热模型;用有限元法分析了近水检测、远水检测和立放检测3种检测模式下信息参数与积水量的关系;用脉冲热像实验验证了近水检测的基本规律。结果表明:在这3种检测模式下,最大温差和最大对比度与积水高度均呈非线性关系,随着积水高度的增加而增大。近水检测灵敏度最高,其次是蜂窝板立放检测,远水检测灵敏度最低。积水和富胶对表面温度的影响趋势一致,利用温差曲线或最大温差信息无法区分积水和富胶状态。根据可检信息参数与积水高度的关系曲线可以反向估计积水高度。这些研究结果为飞机蜂窝板积水的脉冲热像检测及评估提供了技术支持。     

交流阻抗谱法评价热障涂层的热腐蚀行为(英文)

本文利用交流阻抗这种无损检测的方法研究了热障涂层在质量分数为25%NaCl+75%Na2SO4混合盐体系中的热腐蚀行为。实验结果显示,热腐蚀条件下,在陶瓷层和粘结层界面处形成TGO层为混合氧化物层,成分为Cr2O3、(Ni,Co)(Cr,Al)2O4和NiO,其厚度增长符合抛物线规律。热障涂层在110个循环腐蚀之前时,TGO层的电阻值随其厚度的增加而增加;110个循环后,虽然TGO层的厚度还是在增加,但由于TGO层孔隙的增多而导致其电阻值有所下降。陶瓷层的电阻值随着陶瓷层中裂纹的萌生和扩展而不断增大。等效电路中得到的参数可以用来表征热障涂层的失效行为。     

热障涂层的制备及热震性能

采用电火花沉积+微弧氧化的方法在GH4169合金表面制备ZrO_2/NiCrAlY涂层,制备过程为:采用电火花沉积技术在GH4169基体表面先沉积厚度为250μm的NiCrAlY涂层,再沉积厚度为150μm的Zr涂层,最后通过微弧氧化的方法将Zr涂层氧化成ZrO_2涂层,从而得到ZrO_2/NiCrAlY涂层。采用Qauta 200F型场发射扫描电镜观察涂层的显微组织和形貌,研究ZrO_2/NiCrAlY涂层在不同温度下的热震性能,结果表明:当热震温度分别为750℃,850℃,950℃时,热震失效次数分别为51次、32次和19次,涂层的热震性能良好。     

热障涂层氧化和热疲劳寿命实验研究

本论文是热障涂层氧化和热疲劳寿命研究工作的第一部分,主要针对等离子、EB-PVD两种类型的涂层,开展涂层的氧化和热疲劳实验研究,并为后面建立和校核涂层的寿命预测模型奠定实验基础。整个研究工作的重点放在设计合适的实验方案或方法,了解国内目前涂层喷涂工艺水平下涂层的寿命特点和失效模式,并结合微观的分析,了解涂层氧化和热疲劳失效的机理。整个实验工作分为涂层氧化实验和热疲劳实验;氧化实验考虑到了氧化增重和氧化层厚度的两个参量的测量;热疲劳考虑到了主要由循环热不匹配应力引起的寿命失效和带高温保持时间的热循环疲劳失效,及其氧化的影响。      

Thermal conductivity of thermal barrier coatings

The results of experimental studies of the thermal conductivity coefficient of thermal barrier coatings (TBC) are presented. A technique for its determination is proposed and tested. The data of design evaluation of the TBC thickness distribution along the outline of a cooled turbine blade are given.     

敷设热障涂层气冷叶片温度分布数值研究

针对一种内冷通道射流腔交替布置在压力面和吸力面的叶片冷却结构,利用FLUENT软件对敷设热障涂层的气冷叶片温度分布进行了三维共轭传热计算,分析了热障涂层厚度对叶片金属基体表面温降水平的影响,同时对比了有/无考虑燃气与叶片表面辐射换热的叶片表面温度分布差异.研究结果表明:在叶栅通道燃气流进口总温为1600K、冷却气流进口总温为700K的条件下,当冷却气流与主流流量之比约为7.47%、热障涂层厚度为0.2mm时,该叶片冷却结构的最高温度可以控制在1100K以内;在假设热障涂层表面发射率与金属壁面发射率相同的前提下,厚度0.15~0.35mm的热障涂层可获得的最大降温大约在80~180K范围内;考虑/不考虑辐射换热的叶片表面最大温差可以达到60K.      

带热障涂层导向器叶片二维温度场及热应力分析

本文针对某型发动机带涂层导向器叶片在设计状态时的温度和应力分布进行了有限元分析与研究。陶瓷热障涂层的本构模型采用了先进的 Walker粘塑性本构理论 ,并在分析中考虑到了由于电子束物理起相沉积 ( EB-PVD)涂层柱状结构在结构分析时的处理方法。分析比较不同陶瓷隔热层厚度 ( 0 .2 5 ,0 .1 2 5 mm)、不同类型涂层 (等离子、EB-PVD)的隔热效果及应力分布情况。     

含涂层空心球复合泡沫塑料的黏弹性热应力分析

针对含涂层空心微球的复合泡沫塑料,利用三参数标准线性固体模型和黏-弹性对应原理得到了材料由于温度改变而产生的残余热应力,研究了涂层厚度、体分比和时间等因素对残余热应力的影响。结果表明:随着时间的增加,由温度改变而引起的材料内部的残余热应力将逐渐减小,且涂层厚度和涂层空心微球体分比的减小会使残余热应力增加。此外,沿半径方向热应力在微球内逐渐增加,在涂层和基体中则逐渐减小,在涂层与空心微球的交界处达到最大值。     

热障涂层热疲劳寿命预测方法研究

本文是热障涂层氧化和热疲劳寿命研究工作的第二部分,在前面已开展涂层氧化和热疲劳实验研究的基础上,针对等离子、EB-PVD两种类型的涂层,建立涂层的寿命预测模型。由于这部分工作在国内尚属首次,因此着眼点放在模型建立及校核的方法研究上。主要工作包括涂层热疲劳寿命模型研究、寿命模型参数的提取、寿命关键部位的有限元应力应变分析方法等方面。整个研究完整地给出涂层寿命分析的整个过程和方法。并通过两类涂层的热疲劳寿命试验结果,验证和校核寿命模型的预测能力和可行性。      

喷枪空间行进速率对等离子喷涂Mo/8YSZ复合涂层温度场的影响

为了突破传统金属/陶瓷双层热防护涂层高温环境易剥离的技术瓶颈,研究喷枪空间行进速率变化对等离子喷涂Mo/8YSZ复合涂层时间域及空间域温度场分布的影响规律。利用ANSYS有限元分析软件,建立等离子喷涂Mo/8YSZ功能梯度热障涂层的数值模型,考虑材料不同温度下的热物性参数和材料的相变潜热,通过分析不同喷枪空间行进速率下喷涂构件的温度与温度梯度发现:在喷涂过程的同一时刻,喷枪行进速率越大,单位长度内喷枪与构件相互作用的时间越少,构件的最大温度值越小,构件上表面温度分布的均匀性越高,构件的最大温度梯度值越小;先沉积的涂层对后沉积的涂层存在预热作用,基体的最大温度值呈"台阶式"升高的变化趋势;随着涂层厚度的增加,涂层的热阻增加,基体温度的波动幅度逐渐减小;通过调控各涂层的喷枪行进速率,可进一步减小构件的温度梯度,按照黏结层最大、过渡层次之、陶瓷层最小的顺序进行喷涂时,喷涂构件的温度梯度最小。     

陶瓷热障涂层的研究进展

综述了陶瓷热障涂层的材料体系研究进展，分析了陶瓷热障涂层的制备工艺、组织特点及其对涂层性能的影响，并指出了热障涂层今后的发展方向。