粘结层表面预处理对EB-PVD热障涂层循环氧化的影响

研究了在Ni3Al基高温合金基底上采用阴极电弧镀方法制备NiCoCrAlYHf粘结层、电子束物理气相沉积(EB PVD)方法制备Y2O3 ZrO2陶瓷层的热障涂层(TBCs)在1150～30℃之间的热循环氧化行为。通过对热循环过程中热障涂层界面韧性的测试和氧化行为的研究,分析了粘结层表面预处理工艺(喷丸和吹砂)对热障涂层使用寿命的影响。由于喷丸和吹砂会降低热障涂层的界面韧性,同时又促进了热生长氧化物(TGO)的生长,这些预处理工艺不利于提高热障涂层的寿命。     

电子束物理气相沉积LaZrCeO热障涂层微结构与热循环性能

热障涂层(thermal barrier coatings,TBCs)是一种由金属黏结层、热生长氧化物层和陶瓷面层组成的金属-陶瓷复合系统,在先进的航空发动机领域上引起了广泛的关注,但目前先进热障涂层的热循环寿命提升和失效行为研究仍然是一个难点。本研究采用电子束物理气相沉积技术(electron beam physical vapour deposition,EB-PVD)制备LaZrCeO/YSZ双陶瓷层热障涂层,研究热障涂层的相结构、显微组织和失效行为。结果表明:LaZrCeO/YSZ涂层为烧绿石与萤石结构组成的复合涂层材料,LaZrCeO/YSZ涂层的微观结构由羽毛状纳米结构和柱内孔隙组成;在1100℃热循环条件下,LaZrCeO/YSZ双陶瓷层热障涂层展现了良好的热循环寿命;热循环实验后,由于应力累积的作用裂纹在热生长氧化层(TGO)中萌生并扩展,包括水平裂纹和垂直裂纹两大类,进而引起整个涂层体系的不稳定,最终导致涂层失效。     

稀土氧化物改性氧化锆/铂铝热障涂层的制备及其高温性能

针对我国某型航空发动机涡轮叶片用DZ125与DZ406高温合金,开展了稀土氧化物改性氧化锆/铂铝热障涂层体系的制备工艺及涂层高温性能研究。采用电镀Pt和气相渗铝的工艺制备了PtAl金属粘结层,研究了镀Pt前处理、不同镀Pt层厚度以及渗铝温度等关键工艺参数对涂层的微观结构和抗高温氧化性能的影响规律。采用优化后的涂层工艺制备的PtAl粘结层在1150℃时的抗氧化性能优异。采用电子束物理气相沉积（EB–PVD）在PtAl粘结层表面制备了稀土氧化物改性的氧化锆（GYb–YSZ）陶瓷涂层。由GYb–YSZ和Pt Al组成的热障涂层在1050℃热循环4320次（1050℃保温时间720 h）后,涂层表面状态完好,未发现明显剥落现象,表明该热障涂层体系具备良好的热循环性能。     

热障涂层体系典型黏结层的抗热腐蚀性能

为了探究热障涂层体系中不同类型黏结层的热腐蚀行为,对比评价了4种典型黏结层(普通NiAl涂层、NiCoCrAlY涂层、Pt改性NiAl涂层以及Pt+Hf改性NiAl涂层)在900℃条件下Na_2SO_4/NaCl(质量分数75%∶25%)混合盐中的热腐蚀行为。利用扫描电镜、X射线衍射以及电子探针等手段分析了热腐蚀过程中的物相结构、显微组织演变规律。研究结果表明,普通NiAl涂层退化最快,NiCoCrAlY涂层的退化速率相对NiAl涂层有所减慢,两种改性NiAl涂层表现出较好的抗热腐蚀性能,其中Pt改性NiAl涂层具有最佳的抗热腐蚀能力,相比之下Hf元素的加入对Pt–Al涂层抗热腐蚀性能无益。     

大气等离子喷涂热障涂层高温氧化行为研究

采用等离子喷涂工艺在GH4099合金基体上制备了热障涂层,并进行了1050℃恒温氧化试验,综合利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、能谱分析仪等检测手段,分析了涂层的显微结构及高温氧化行为。结果表明：等离子喷涂（APS）热障涂层在高温氧化过程中,黏结层被氧化生成热生长氧化物（TGO）。但长时间氧化后,在与TGO毗邻的金属黏结层中产生了范围较窄但浓度变化较大的贫Al带,TGO层出现保护性Al2O3向非保护性混合氧化物转变的现象,导致致密Al2O3层的连续性被破坏,TGO厚度快速增加。     

EB-PVD热障涂层等温氧化过程中的界面韧性变化

用压入法测试了电子束物理气相沉积热障涂层在1100℃等温氧化过程中的界面韧性,该热障涂层体系的界面韧性(Гi)在38～45J m2之间。在等温暴露过程中,界面韧性Гi变化较小;但由于TGO增厚引起涂层的弹性应变能(G0)快速增长,使得归一化的界面韧性(Гi G0)随暴露时间而急剧降低,逐渐趋于1。结果表明,粘结层的热生长氧化物(TGO)的增厚是热障涂层失效的一个重要原因。     

热冲击环境下涂层/基底界面的微观形貌及元素扩散规律研究

针对热障涂层在高温环境中长期服役的需求,研究热障涂层在热冲击环境下涂层/基底界面形貌演变及元素扩散规律。通过自主搭建的石英灯加热平台对热障涂层进行热冲击试验。利用SEM和EDS对热冲击后涂层/基底界面的微观形貌及元素分布进行分析,利用Boltzmann-Matano扩散模型计算了涂层/基底界面Al元素的扩散系数。结果表明,沉积态的热障涂层中黏结层（BC）主要由β和γ相组成,并且在涂层/基底界面已经出现扩散区;随着热冲击试验的进行,Al元素快速消耗致使BC层和基底间Al元素浓度梯度转变,Al元素开始向外扩散,部分拓扑密堆（TCP）相中富集的难熔元素可以重新固溶到基底中,最终各元素在界面区的分布逐渐均匀;Al元素的扩散系数在热冲击试验开始前为正值,到600次热冲击循环后为负值,且扩散系数的最大值均出现在涂层/基底界面处,距离界面越大,扩散系数就越低。     

界面形貌对热障涂层残余应力影响的三维有限元分析

采用有限元方法,建立了考虑界面形貌的热障涂层系统三维有限元模型,通过计算从高温冷却到室温时界面处的残余应力的变化,研究了界面形貌对热障涂层系统残余应力的影响。结果表明,氧化层（TGO）厚度不仅会影响残余应力大小,还会影响其应力状态,氧化层越厚,其残余应力水平越高;界面幅值增大会使黏结层（BC）–TGO界面残余应力增大,但其对陶瓷层（TC）–TGO界面处残余应力的影响较为复杂;增大界面波长会在一定程度上减小残余应力水平;三维混合粗糙度对残余应力的影响较小。因此,氧化层厚度、界面幅值和波长会较大程度上影响热障涂层的残余应力,进而影响热障涂层系统的稳定性,且氧化层厚度对涂层失效位置具有决定性意义。     

高温氧化对EB-PVD热障涂层内部应力场分布影响的数值模拟

针对电子束物理气相沉积(EB-PVD)热障涂层(TBCs)复杂结构的特点,选用Walker黏塑性本构模型实现对其高温力学行为的准确描述.选择具有叶片曲率特征的圆管试样,并借鉴实际发动机载荷特征进行数值分析.重点考虑EB-PVD热障涂层界面的形状以及热生长氧化层(TGO)厚度变化对应力场的影响.计算结果表明,直线型界面对EB-PVD热障涂层结构的应力场改变不大,而余弦界面对EB-PVD热障涂层的应力场改变的幅度可达2倍之多;热生长氧化层的出现导致陶瓷层界面处的应力绝对值增加;无论是循环至最高温度1 050℃还是冷却到100℃时,界面波谷始终受径向压应力,此处不易形成损伤,而波峰处的应力比较大,且其应力状态是损伤容易形成的部位,可以认为是陶瓷层失效与破坏的危险点.     

两种MCrAlY涂层/DD6合金的循环氧化和互扩散行为

在DD6单晶高温合金基体上,利用电子束物理气相沉积(EB-PVD)技术制备Ni Co Cr Al Y涂层,采用低压等离子喷涂(LPPS)技术制备Ni Co Cr Al YHf Si涂层,通过扫描电镜(SEM)、X射线能谱(EDS)、X射线衍射(XRD)、电子探针显微分析(EPMA)等手段研究了在1100℃下的热循环氧化和互扩散行为。结果表明,涂层显著提高了DD6基体的抗氧化能力,经100h的循环氧化后,涂层表面氧化层主要成分仍为α-Al2O3,依然发挥着较好的抗氧化保护作用。这两种涂层与基体之间形成了互扩散区(IDZ)和二次反应区(SRZ),IDZ和SRZ的厚度均随着循环氧化时间延长而增大;SRZ中析出的棒状与颗粒状的拓扑密堆相(TCP)含有W、Re、Mo等高熔点元素,其质量分数分别高达37.51%、14.22%和10.61%,TCP含量随着氧化时间而增多。活性元素Si、Hf对涂层中富Cr相和TGO的增长速率均有一定的抑制作用。     

基体曲率对热障涂层结合强度影响的无损检测研究

 针对复杂型面航空发动机涡轮叶片表面热障涂层(TBCs)的失效问题,采用交流阻抗谱(IS)法和洛氏硬度(RH)压痕法对比研究了制备在平板基体和曲率基体上,热障涂层在热循环过程中微观结构和界面结合强度的演变规律。交流阻抗谱法的结果表明:两种涂层试样的热生长氧化(TGO)层厚度及陶瓷层内裂纹数量均随着热循环时间增加而增长,但曲率试样的微观结构恶化速度更快;洛氏硬度压痕法的结果验证了经热循环后,曲率基体上热障涂层界面结合强度低于平板样品。     

CMAS渗透下热障涂层界面失效分析

基于钙镁铝硅等氧化物（CMAS）渗透对热障涂层陶瓷层（TC）热/力性能的改变,考虑温度梯度作用下不同CMAS渗透深度及CMAS渗透下界面表面粗糙度对界面温度分布,热生长氧化物（TGO）厚度及界面应力行为的影响。结果表明: CMAS的渗透使陶瓷层的热导率增加,进一步导致界面温度升高、TGO的厚度增大、界面的应力状态更为严重。界面表面粗糙度的增长则导致界面波峰波谷处的温度差异增大,界面TGO不均匀生长,最终引起界面的应力分布发生变化。      

热障涂层的界面形貌对TGO层生长行为的作用机制

通过对陶瓷层/粘接层界面应力和热生长氧化物(thermally grown oxides,TGO)层的生长规律分析,研究涂层界面凸起对TGO生长行为的作用机制。结果表明:TGO在陶瓷层/粘接层界面凸起区域的生长速率高于其他区域;由ANSYS有限元软件应力分析可知,随着界面粗糙度的增加(10μm增至20μm),涂层的界面应力增加(185 MPa增到406 MPa);TGO层的厚度增加(1.6μm增至9.3μm)同样会使界面应力增加(142 MPa增大到574 MPa);此外,在高温氧化过程中,陶瓷层/粘接层界面凸起区域主要表现为拉应力,凹陷区域为压应力;拉应力能够促进TGO层的快速生长,压应力则会抑制TGO的生长速率;在保证涂层有效结合强度的前提下,降低粘接层的表面粗糙度,能够有利于降低涂层的界面应力以及减缓TGO的生长速率,从而提高热障涂层高温稳定性。     

电子束物理气相沉积热障涂层的研究

７０年代以来，陶瓷热障涂层技术被广泛用于保护航空发动机的热端部件。热障涂层具有减少热流、降低热端部件工作温度（或提高发动机工作温度）、防止腐蚀和磨损、提高效率、节约燃料、延长零件工作寿命的功能。采用电子束物理气相沉积制备的热障涂层具有更高的抗氧化腐蚀剥落能力、界面结合力及热循环寿命。     

热老化对热障涂层界面力学性能影响及数值计算

针对热生长氧化物（TGO）对热障涂层系统寿命的影响问题,利用大气等离子喷涂（APS）制备氧化钇稳定氧化锆（YSZ）热障涂层,在1 100℃条件下,对热障涂层进行不同时间的热老化试验。采用扫描电镜（SEM）观察并分析涂层的微观形貌,并利用界面压痕法及Almen基片弯曲法分别测量其界面断裂韧性及涂层内部应力,系统研究了TGO对涂层性能的影响规律。与此同时,利用动态热力耦合扩展逐层/实体元（TM-XLW/SE）方法对该问题进行了数值研究,采用扩展逐层方法模拟陶瓷层（TC）/TGO和粘结层（BC）/TGO之间的行为,采用八节点实体单元来构建合金基体,根据热障涂层和基体连接区域的位移、温度协调和内力平衡条件,将热障涂层和基体相互耦合,分析了在热老化作用下TGO厚度演变对热障涂层力学性能的影响规律,将数值结果与试验结论进行了对比分析,为热障涂层失效分析提供更进一步的支撑和佐证。     

双层氧化物生长下热障涂层的界面失效与应力演化

在长时高温服役环境下,热障涂层（TBCs）会在内部的陶瓷层（TC）和粘结层（BC）之间生成由Al2O3层和混合性氧化物层（MO）组成的双层热生长氧化物（TGO）。其中,后期生成的MO 由于其疏松多孔、脆性大等特点,极易造成涂层内微裂纹的形成和扩展,导致涂层的过早剥落。因此,依据双层TGO 生长的扩散—氧化模型,在考虑材料非线性变形行为的基础上,运用生死单元法模拟TBCs 内双层TGO 异向生长下涂层界面的失效与应力演化过程。结果表明：MO 的生长会大幅度提升涂层界面的拉伸应力水平,易导致MO/TC 界面在高温阶段波峰区域和冷却阶段斜坡中心区域发生破坏及失效;MO/TC 界面的失效会引起BC 层波峰处更高的拉伸应力,促进冷却阶段Al2O3/BC 界面从波峰向波谷处的破坏;MO/TC 界面失效后,hAl2 O3 /hMO 的增加会加速Al2O3/BC 界面的破坏。     

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。     

高(Cr,Al)含量NiCrAl(Y)涂层电沉积制备及抗高温氧化性能

NiCrAlY型涂层是典型的抗高温氧化涂层以及热障涂层(thermal barrier coatings,TBCs)的黏结层(bond coat,BC)。高性能NiCrAlY涂层一般采用物理气相沉积的方法制备,本工作在金属基体预沉积的纳米颗粒CrAl电泳层中电沉积Ni,制备NiCrAl涂层。涂层的微观结构和成分分析表明:涂层致密并与金属基体结合好,CrAl纳米颗粒分散均匀、(Cr+Al)含量高达35%(质量分数,下同)。氧化结果表明:通过成分调控,即调控Cr/Al含量比,可使涂层在1000℃空气中氧化时分别"智能"热生长保护性Cr_2O_3膜或Al_2O_3膜;并且涂层在长时间氧化过程中,氧化膜不剥落,显示此工艺制备NiCrAl的抗氧化性能可与PVD制备的NiCrAlY涂层的相媲美。     

表面处理对热障涂层界面微结构的影响

采用真空电弧离子镀技术在单晶高温合金DD32上制备HY5金属粘结层,通过振动光饰、吹砂2种不同的表面处理方法改变粘结层表面状态,再在粘结层表面利用电子束物理气相沉积技术制备陶瓷层。研究了不同处理方法对粘结层表面状态的影响;测试了不同表面处理方法下制备的热障涂层的高温氧化性能并对比分析了它们的变化规律。此外,探讨了不同表面处理方法对界面元素成分及失效特征的影响。研究结果表明,通过表面处理可以去除粘结层表面较大的凸起,提高表面平整度,提高热障涂层抗氧化性能。与粗糙界面相比,光滑界面形成的TGO层均匀致密,Al含量高。经长时间的高温氧化后,粗糙界面的TGO层出现明显皱曲现象,陶瓷层开裂剥落。     

在高温蠕变环境中的热障涂层失效行为

对电子束物理气相沉积(EB-PVD)制备的由NiCoCrAlY粘结层和YSZ(YttriaStabilizedZirconia)陶瓷层组成的双层结构热障涂层,采用标准高温蠕变试验方法,研究了在高温、恒定外载荷作用下热障涂层中各层的形貌变化及裂纹的萌生、扩展,并探讨了涂层的失效过程和机理。垂直于试样轴向的断面观察表明,涂层在外力作用下氧化200h后层间裂纹非常明显,但几乎不发生在热氧化层(TGO)内,而是发生在陶瓷层与TGO层、TGO与粘结层之间,尤其发生在TGO与陶瓷柱状晶之间的等轴晶处。这种层间裂纹是在拉伸应力作用下,合金基体和粘结层发生径向收缩,而陶瓷层和TGO层的应变容限无法满足径向收缩而产生的。