不同钇含量氧化锆基热障涂层材料CMAS腐蚀行为研究

系统研究了不同YO_1.5含量掺杂氧化锆基材料(8YSZ、20YSZ、38YSZ、55YSZ)以及纯氧化钇材料(Y₂O₃)在1300℃下的CaO–MgO–Al₂O₃–SiO₂(CMAS)腐蚀行为。结果表明,不同钇含量氧化锆基材料表现出具有显著差异的CMAS腐蚀行为。对于YO_1.5含量较低的8YSZ与20YSZ而言,腐蚀行为由溶解–再析出及晶界腐蚀所主导,前者析出小球颗粒ZrO₂,后者的析出物则是直接沉积在原始ZrO₂表面形成核壳结构;随着YO_1.5含量的增加,腐蚀行为逐渐转变成反应腐蚀,38YSZ以及55YSZ与CMAS熔盐快速反应结晶,形成一层连续致密、含磷灰石相的保护层,能够有效阻挡CMAS熔盐的进一步侵蚀,并且55YSZ所形成的保护层中磷灰石相的体积分数更多,抗CMAS腐蚀能力更佳;纯Y₂O₃样品也能与CMAS熔盐快速反应...     

激光重熔改性热障涂层抗CMAS腐蚀特性

采用激光对大气等离子喷涂7YSZ热障涂层进行表面重熔处理,探讨基体预热和Al₂O₃溶胶涂敷对激光重熔层裂纹愈合的影响,研究处理后热障涂层的耐CMAS熔盐腐蚀性能。结果表明:涂层经过激光重熔和基体预热后的激光重熔处理后,与未经重熔处理涂层的CMAS腐蚀厚度基本相同;而采用表面Al₂O₃溶胶涂敷加激光重熔的热障涂层的CMAS腐蚀厚度明显减小,表明Al₂O₃溶胶涂敷加激光重熔工艺可以有效地减轻CMAS熔盐侵蚀,其机理是表面形成的Al₂O₃薄膜溶于CMAS后生成了难熔晶体钙长石,降低了熔盐的流动性和腐蚀性。     

PS-PVD用CeO2掺杂8YSZ团聚粉末及其涂层

在纳米ZrO₂-8%Y₂O₃(摩尔分数)(8YSZ)粉末中掺杂20%(质量分数)微米级CeO₂粉末,并通过喷雾干燥合成CeO₂-8YSZ(CYSZ)复合团聚粉体。借助激光粒度仪和扫描电镜(SEM)及附带能谱仪(EDS)考察羧甲基纤维素黏结剂(carboxymethyl cellulose,CMC)质量分数对复合团聚粉体性能影响。采用PS-PVD制备具有柱状结构的CYSZ热障涂层,对涂层截面和表面进行EDS分析。采用X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)分析涂层物相。结果表明:黏结剂质量分数达到2%时可获得球形度高、粒度分布均匀的团聚粉体;制备的涂层中Ce元素呈均匀分布;涂层物相基本为t-相结构,其中Ce⁴⁺取代Zr⁴⁺进入ZrO₂晶格形成类质同象的固溶体结构,显示出CeO₂掺杂对t-相向m-相转变的抑制作用;所制备CYSZ涂层在1100℃,水冷循环100次后仍保持完整,展现出较高的抗热冲击性能。     

NiCrAl-NiC封严涂层在硫氯酸盐中的热腐蚀行为

为探究NiCrAl-NiC封严涂层在高温熔盐环境下的腐蚀行为,使用大气等离子喷涂技术制备NiCrAl-NiC封严涂层。通过测量NiCrAl-NiC封严涂层的失重情况研究涂层的动力学变化,通过扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、激光共聚焦显微镜等方法,探讨NiCrAl-NiC封严涂层在650℃下混合硫氯酸盐(75%Na₂SO₄+25%NaCl)中的热腐蚀行为。结果表明：在进行10 h的热腐蚀实验后,NiCrAl-NiC封严涂层呈现出快速增重状态,增重速率为32.041 mg₂·cm^-4·h^-1。在进行20 h的热腐蚀实验后,涂层由于表面氧化膜的脱落而发生减重现象。在热腐蚀进行了30 h后,涂层表面膜的生长覆盖了整个涂层,涂层表面形貌均匀,表面孔隙减少,可以对基体起到很好的保护作用。在完整的氧化膜的保护作用下,进行了40 h热腐蚀实验的NiCrAl-NiC封严涂层的质量变化速率为0.064 mg²·cm^-4·h^-1<...     

等离子喷涂工艺参数对GdPO4热障涂层组织结构和结合强度的影响

随着航空发动机涡轮进口温度提升,目前最广泛使用的Y₂O₃部分稳定ZrO₂(YSZ)热障涂层(TBCs)已难以满足需求,亟须发展新一代超高温TBCs。GdPO₄是一种极具应用前景的TBCs材料。本工作采用等离子喷涂方法制备GdPO₄/YSZ双陶瓷层结构TBCs,研究喷涂工艺参数特别是喷涂功率对GdPO₄陶瓷涂层相组成、表面形貌、微观结构以及结合强度的影响。结果表明:等离子喷涂GdPO₄过程中会有元素P损耗,得到的涂层除了GdPO₄外,还有一些Gd₃PO₇相;随着喷涂功率降低,Gd₃PO₇相含量减少;GdPO₄陶瓷涂层的主体结构由充分熔融的喷涂粒子堆垛构成,其中镶嵌有未熔化粒子构成的微区;随着喷涂功率降低,未熔化微区增多,涂层厚度降低;GdPO₄/YSZ TBCs的结合强度随喷涂功率降低而减小,主要是由于未熔化微区增多降低了涂层的内聚力;因此,低喷涂功率不利于涂层的结合强度。     

CMAS环境下热障涂层的损伤机理及防护策略

随着先进航空发动机向高推重比和高热效率发展,涡轮前进口温度显著提高,航空发动机叶片热障涂层(TBCs)在高温服役过程中受火山灰、飞灰、跑道磨屑、工业烟尘、汽车尾气及PM2.5等环境沉积物的侵蚀愈来愈严重。这些沉积物的主要化学成分为CaO-MgO-Al₂O₃-SiO₂(CMAS),其熔点约为1 240℃,远低于发动机的服役温度。环境CMAS被吸入发动机中后,将迅速熔融并渗入TBCs结构内部。一方面,CMAS对叶片表面造成物理冲击与破坏,熔融态的CMAS还会导致气膜冷却孔堵塞,引起冷效降低与叶片温度-应力场的改变;另一方面,熔融CMAS与叶片涂层发生化学反应,导致叶片TBCs腐蚀剥落及过早失效,服役寿命大幅度下降。解决叶片TBCs表面CMAS沉积和腐蚀的问题是目前先进航空发动机TBCs研究领域的重点和难点,而掌握不同环境下CMAS的物理化学特性更是研制抗CMAS热障涂层的基础。本文阐述了CMAS的成分与流变特性及TBCs在CMAS环境下的热化学、热力学失效机理,并简述了目前国际上有关涂层组织结构优化、阻渗层和牺牲层等CMAS...     

氧掺杂对NiCrAlYN纳米金属陶瓷涂层抗氧化性能的影响

研究了不同O含量掺杂对Ni Cr Al YN纳米金属陶瓷涂层在1100℃下抗氧化性能的影响。采用多弧离子镀设备,分别在0、10 sccm、20 sccm O₂流量下制备得到3种不同O含量的涂层。经1100℃、300 h的高温测试后,3组样品表面均生成了α–Al₂O₃和Ni Al₂O₄,氧化膜厚度分别为8.78μm、7.9μm和5.7μm。O₂流量为0和10 sccm涂层的氧化膜产生明显分层,其中上层为Ni Al₂O₄,下层为α–Al₂O₃;而流量为20 sccm涂层的氧化膜并没有发生明显分层。O掺杂量的增加能够抑制氧化膜中大颗粒状Y–Al氧化物夹杂的形成,降低氧化膜的生长速率。此外,氧化后未掺杂氧的涂层较含氧涂层退化严重,主要归因于氧掺杂涂层中弥散分布的氧化物颗粒抑制了涂层的退化。     

锆基陶瓷热障涂层的腐蚀研究进展

近年来随着航空与航海工业的迅速发展,具有耐高温、长寿命、耐腐蚀等优势的发动机叶片成为开发新一代航空发动机和涡轮发动机的重要一环。热障涂层（TBCs）作为常用的热防护技术,一方面可为发动机叶片部分金属基底提供隔热保护,使其免受高温气体的影响;但另一方面,更高的发动机工作温度使得叶片及其表面TBCs遭受严重的环境沉积物腐蚀,造成过早失效,腐蚀类型主要有热腐蚀、CMAS腐蚀、熔盐腐蚀等。腐蚀已成为限制TBCs工作温度和服役寿命的难题,抗腐蚀防护是目前TBCs领域研究的重点。本文首先简述了以氧化钇稳定氧化锆陶瓷（YSZ）为主的热障涂层材料的主要特性,再简述了TBCs的不同腐蚀的反应机理,重点从涂层的微观结构设计、梯度涂层的设计、涂层成分改性及掺杂改性等方面与涂层腐蚀过程之间的影响关系出发,阐述了TBCs改性方法与涂层腐蚀的特点。提出未来涂层改进与防护的几种方法,最后对TBCs的腐蚀防护发展方向进行了展望。     

NiCoCrAlYTa/Ag/Mo复合自润滑涂层的制备及其高低温循环摩擦学性能

为了开发适用于苛刻工况的长寿命、高可靠的自润滑涂层，选择NiCoCrAlYTa作为黏结相，Ag作为润滑相，Mo作为增强相，采用超音速火焰喷涂(high-velocity oxy-fuel spraying,HVOF)技术在Inconel718高温合金基体上制备复合涂层。考察该复合涂层在室温及800℃循环交变条件下的摩擦学行为，研究磨损表面的形貌特征、化学成分、相组成，揭示摩擦过程中元素之间的相互作用以及摩擦表面的物理化学本质，探究其在高低温交变环境下的多循环“自适应”润滑机理。结果表明：复合涂层致密均匀，力学性能良好，主要有γ-Ni,β-NiAl,γ′-Ni₃Al,Ag和Mo等物相；复合涂层表面生成的β-Ag₂MoO₄类层状润滑剂，可大大改善涂层在高温条件下的摩擦磨损性能；在多循环交变条件下，复合涂层后续循环摩擦因数较首次循环而言有所增大，但在室温条件下的磨损率却有所减小；这是涂层在高温条件下生成的β-Ag₂MoO₄类层状尖晶石润滑相与Al₂O_3...     

高熵稀土铪酸盐热障/环境障涂层材料的制备与性能研究

综合性能优异的热障/环境障涂层是先进航空发动机涡轮叶片等高温部件的关键热防护材料。本研究通过两步烧结法制备了高熵稀土铪酸盐(La_0.2Gd_0.2Ho_0.2Er_0.2Tm_0.2)₄Hf₃O₁₂和(Yb_0.2Lu_0.2Ho_0.2Er_0.2Tm_0.2)₄Hf₃O₁₂,系统研究了两种材料的力学、热学性能和CMAS腐蚀性能。多主元高熵材料具有较低的热膨胀系数和热导率,其中(Yb_0.2Lu_0.2Ho_0.2Er_0.2Tm_0.2)₄Hf₃O₁₂表现出比(La_0.2     

铂铝黏结层体系EB-PVD热障涂层的热循环行为

在镍基单晶高温合金基体上采用化学气相沉积法制备铂铝金属黏结层,并采用电子束物理气相沉积制备氧化钇部分稳定化的氧化锆(YSZ)陶瓷面层。研究了黏结层相组成对热障涂层循环氧化行为的影响,借助扫描电子显微镜(SEM)、X射线能谱分析(EDS)和X-射线衍射分析(XRD)等方法分析涂层的相结构、显微组织和化学成分。结果表明：黏结层主要成分包括Ni、Al、Pt、Co和Cr元素并由β-(Ni,Pt)Al相和PtAl₂相组成;经热循环测试后,涂层在热生长氧化物(TGO)和黏结层内部及其界面可能出现剥离;随着热暴露时间的延长,TGO层处的残余应力总体上呈现出逐渐减小的演变趋势;控制铂铝黏结层前驱体活性、Pt/Al元素含量、抑制脆性PtAl₂相生成、改善TGO层/黏结层界面韧性和降低TGO层应力应变水平可有效延长铂铝黏结层体系热障涂层的热循环寿命。     

DSM11镍基高温合金表面三种涂层高温性能

DSM11镍基高温合金表面制备Al-Si、Al和Co-Al三种涂层,研究三种涂层在900℃下的涂盐（质量分数为5% NaCl+95% Na₂SO₄）热腐蚀性能和800℃下的疲劳性能。实验结果表明:在900℃热腐蚀200h后,Al-Si涂层和Co-Al涂层表面腐蚀区均形成了以Al₂O₃为主的连续且致密的氧化层,抑制热腐蚀反应的进行,具有一定的抗热腐蚀性能;Al涂层表面腐蚀区形成了混合型氧化层,热腐蚀反应会持续进行,抗热腐蚀性能较差。在800℃的疲劳实验后,Al-Si涂层表面生成大量的微裂纹,涂层容易发生开裂,进而引起合金试样快速断裂;Co-Al涂层和Al涂层的合金试样表现较好的抗高温疲劳性能。在高温合金的防护涂层使用中,要充分考虑到涂层的服役环境,对相关性能进行综合评价,选出最适合的防护涂层。      

涡轮叶片热障涂层在CMAS 环境下的失效分析

对于多台份某型发动机在试车后出现的带热障涂层涡轮叶片表面附着较多环境沉积物CMAS进而导致热障涂层脱落 失效的故障,通过宏观形貌观察、化学成分分析、微观结构分析等方法对CMAS分布规律、成分特征和失效模式进行了分析。结果 表明：CMAS沉积物在叶盆面较厚、叶背面较薄,靠近缘板处较厚、叶身中部位置较薄,进气边较厚、排气边较薄;厚度较薄处的附 着物颗粒细小、分布均匀,较厚处的附着物结构较疏松,大多呈块状不均匀分布;涡轮叶片热障涂层表面沉积物及气膜孔堵塞物的 成分以CMAS为主,同时还有中低温部件碰摩磨屑生成的Fe2O3、TiO2和NiO;由CMAS腐蚀引发的热障涂层失效模式主要有气膜孔 堵塞引发周围涂层烧结失效、涂层表面和内部应力失配、陶瓷层柱状晶被冲击撞断以及8YSZ热障涂层被溶解。     

高红外反射率稀土氧化物掺杂YSZ/YSZ多层结构热障涂层

由于先进航空发动机工作温度的不断提升,迫切需要提高热障涂层的隔热效果和工作温度。本工作设计并制备一种新型的稀土氧化物掺杂YSZ/YSZ多层结构热障涂层,对涂层的微观组织、热导率及红外热反射率进行表征,研究稀土氧化物掺杂多层结构热障涂层材料微观结构对涂层相结构、热导率及红外热反射率的影响。结果表明:多层结构涂层表现为(200)择优取向,层数增多有助于降低涂层的热导率并提高其热反射率;具有200个亚层的等厚比多层涂层的热导率为1.1~1.16 W/m·K,比普通的单层YSZ下降了11%,红外热反射率可达48%~55%。     

CrON扩散阻挡层对NbCrAl涂层与Nb基高温合金元素互扩散的影响

利用磁控溅射技术在C103型Nb基高温合金上制备了含和不含CrON扩散阻挡层的NbCrAl涂层,对比研究了2种涂层分别经900℃和1000℃真空热处理后的元素扩散行为。结果表明:NbCrAl涂层以Cr₂Nb和AlNb₂相为主,含非晶态组织;真空热处理后生成了NbAl₃和(Nb,Cr)沉淀相。热处理温度由900℃升至1000℃时,NbCrAl涂层中元素扩散速度加快。不含扩散阻挡层样品中Cr和Al元素扩散至基体的含量分别为2.76wt%和1.21wt%,而含扩散阻挡层样品中Cr和Al元素扩散到基体的含量分别仅为2.52wt%和0.84wt%。扩散阻挡层保持连续,且与涂层及基体的界面结合良好,经高温处理后主要以密排六方结构的Cr₂O₃和Al₂O₃相为主,有效地抑制了元素互扩散。     

电子束物理气相沉积Nd2O3和Yb2O3共掺杂的YSZ热障涂层研究

采用固相烧结的方法制备了10 mol% Nd2O3和Yb2O3共掺杂的YSZ(3.5 mol% Y2O3部分稳定的ZrO2)材料.掺杂材料为t/t'相,而8YSZ则为t/t'与m的混合相.测试结果表明:1 100 ℃时掺杂材料的热扩散系数为4.10×10-7 m2/s,而8YSZ(8 wt.% Y2O3部分稳定的ZrO2)的则为6.41×10-7 m2/s.在200～1 300 ℃温度范围内,掺杂材料的比热容均大大低于8YSZ.电子束物理气相沉积的掺杂材料的热障涂层陶瓷层为树枝晶结构.1 100 ℃下,掺杂材料的热障涂层热循环寿命为350～500 h,而同等条件下8YSZ涂层仅为160～200 h.     

镍基高温合金表面Co-Al涂层抗高温氧化性能研究

为了研究镍基高温合金表面Co-Al涂层抗高温氧化性,对该Co-Al涂层在800、900和1000℃下进行200 h高温氧化试验,利用扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)和X射线衍射仪(XRD)等进行高温氧化行为分析。结果表明：合金氧化动力学曲线均基本符合抛物线规律,氧化激活能为78185 kJ/mol,质量增大速度较缓慢,平均氧化速度也较慢;合金表面生成氧化物结构完整、致密,主要以Al₂O₃为主;表面生成连续致密的Al₂O₃保护膜有效地阻止了Al向涂层与空气界面的外扩散和氧向涂层与基体界面的内扩散,在3种温度下Co-Al涂层均表现出优异的抗高温氧化性能。     

激光熔覆TiCx增强钛基复合涂层组织与增强相第一性原理研究

采用同轴送粉激光熔覆技术原位合成了碳化钛(Ti C_x)增强钛基复合涂层。运用X射线衍射仪、扫描电镜、能谱仪、显微硬度计等表征与测试方法,同时结合第一性原理研究了Ni Cr-Cr₃C₂添加量与复合涂层微观组织和显微硬度的内在关联性,探究了C/Ti原子比对Ti C_x力学性能及热力学稳定性的影响规律。结果表明复合涂层的微观组织主要由β-Ti型有序固溶体(基体相)和Ti C_x(增强相)组成。Ni Cr-Cr₃C₂添加量对复合涂层中碳化钛的含量、尺度、形态特征有显著影响,且复合涂层上部和下部区域的碳化钛组织存在显著差异。Ti C_x的C/Ti原子比与其形态具有高度相关性,复合涂层中Ti C_x主要包括异形Ti C_0.2-0.4、树枝状Ti C_0.4-0.6、花瓣状Ti C_0.6-0.8及类球状Ti C_0.8-1.0。此...     

TiC-TiB2复合相钛基稀土激光熔覆层组织与性能

采用通快同轴送粉4002光纤激光器,在TC4表面熔覆制备了不同含量Y₂O₃的TC4+Ni45+Co-WC+Y₂O₃钛基复合耐磨涂层。采用XRD、SEM、EDS、EPMA测试研究了涂层微观组织,利用显微硬度计、摩擦磨损实验机和白光轮廓仪分析评价了涂层的显微硬度和摩擦学性能。结果表明,涂层生成相不随Y₂O₃含量变化而改变,主要包括Ti₂Ni、TiC、TiB₂以及α-Ti;未添加Y₂O₃涂层,生成相尺寸粗大,方向性明显;随着Y₂O₃的加入,涂层组织逐步细化,生成相方向性减弱;当Y₂O₃为3wt%时,涂层析出相以颗粒和短棒状相为主,合成了大量TiC-TiB₂依附生长复合相,经二维点阵错配度计算,TiB₂（0001）与TiC （111）错配度δ为0.912%,TiC与TiB₂形成了共格界面,可有效增加涂层组织分布均匀性;Y₂O₃含量为0wt%、1wt%和3wt%时,涂层显微硬度逐渐减小,磨损体积先增大后减小,摩擦系数逐渐降低;在TiC-TiB₂复合相的作用下,3wt% Y₂O₃涂层的耐磨、减摩性最优,涂层磨损机理为磨粒磨损。     

多级次改性SiO2/PU超疏水涂层的制备及应用

为了消除航空飞行器表面、电力传输电缆、风力涡轮机叶片等因低温结冰而带来的不利影响,同时为了增强航空飞行器表面吸波涂层的自清洁能力,将经过硅烷偶联剂改性的纳米二氧化硅(n-SiO₂)和微米二氧化硅(m-SiO₂)填料按照质量比6∶1共混后与聚氨酯(PU)基体复合制得多级次改性SiO₂/PU超疏水涂层。研究表明,m-SiO₂在PU基体中较好的分散状态提升了涂层的稳定性,有效消除了因n-SiO₂团聚而出现的涂层开裂现象。n-SiO₂和m-SiO₂填料在涂层的表面共同构筑起致密的多级次微凸起疏水结构,可以截留更多的空气来增大水滴的气–液接触面积。多级次改性SiO₂/PU超疏水涂层的水接触角可达158.56°±1.08°,并且具有良好的自清洁能力和耐磨性。此外,多级次改性SiO₂/PU超疏水涂层优秀的透波性能使其不会对吸波涂层的性能产生不利影响,表明制备的多级次改性SiO₂/PU...