Sm2Zr2O7基热障涂层材料研究现状

由于航空发动机不断向高效率、高推重比方向发展,发动机热端部件表面热障涂层的服役条件也越来越苛刻。稀土锆酸盐作为新型热障涂层材料,其开发和应用受到越来越多国内外学者的关注。Sm₂Zr₂O₇材料在一系列稀土锆酸盐中具有烧绿石结构稳定、低热导率和高热膨胀系数等优点,具有良好的应用前景。为满足热障涂层更高的服役要求,Sm₂Zr₂O₇的掺杂改性及性能研究也成为了研究热点。首先,对热障涂层材料进行了简要概述,然后就Sm₂Zr₂O₇基陶瓷材料及其涂层的晶体结构、热物理性能、力学性能以及抗腐蚀性能等的研究进展进行了详细的介绍,为该材料在热障涂层领域的研究及应用提供参考。     

扫描速度对激光定向能量沉积Al2O3–ZrO2梯度陶瓷微观组织及力学性能的影响

功能梯度陶瓷作为能够兼顾结构和功能的新型陶瓷材料,其材料组成和性能可以根据需要呈现连续的梯度变化,因此在航空航天、生物医疗等领域具有广阔的应用前景。激光定向能量沉积技术克服了传统陶瓷制备方法在烧结变形及过渡界面明显的局限性,能够实现功能梯度陶瓷材料性能的区域可控制造。然而采用定工艺参数成形时,功能梯度陶瓷不同组分的性能无法同时达到最佳,因此就扫描速度对Al₂O₃–ZrO₂梯度陶瓷中各比例复合陶瓷材料的影响规律展开了研究。在确定各比例复合陶瓷优选扫描速度的基础上,实现了Al₂O₃–ZrO₂梯度陶瓷的变参数优化成形。结果表明,低速扫描条件下(200 mm/min、300 mm/min),α-Al₂O₃柱状晶定向生长倾向明显,但高ZrO₂含量(质量分数)复合陶瓷材料宏观裂纹明显。扫描速度逐渐提高有助于晶粒尺寸减小,但过高的扫描速度(400 mm/min、500 mm/min)导致样件内部ZrO     

Gd2SiO5纳米粉体的并流化学共沉淀法合成

以Gd₂O₃和正硅酸乙酯(TEOS)为原材料,采用并流化学共沉淀法合成Gd₂SiO₅粉体材料。研究Gd₂SiO₅前驱体的热响应特征、Gd₂SiO₅粉体的物相组成和微观形貌,并对Gd₂SiO₅粉体的合成机理进行初步探讨。结果表明:前驱体的低Gd/Si摩尔比和反应体系的高pH值会导致Gd₂SiO₅粉体生成Gd_9.33(SiO₄)₆O₂杂质相,相反则会导致生成Gd2O3杂质相。当Gd/Si摩尔比为20∶11、pH值为9~10、合成温度为1000~1300℃时,合成的粉体纯度较高,Gd₂SiO₅颗粒呈不规则形貌特征,平均粒度为100~200 nm。Gd₂SiO₅合成过程中,前驱体以一种—[Si—O—Gd]—网络结构存在,在煅烧过程中逐渐转化为Gd₂SiO₅晶体以及Gd_9.33(SiO₄)₆O₂和Gd₂O₃杂相。     

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。     

圆柱面点阵自生Al2O3铝合金粉芯丝材开发及应用

基于Al和NiO的冶金反应设计了圆柱面点阵电弧增材制造自生Al₂O₃铝合金粉芯丝材，进行了热分析；制备了直径1.2 mm的自生Al₂O₃铝合金粉芯丝材，研究了其工艺性能，分析了自生Al₂O₃的尺寸、形貌，并测试了单元杆的热导率和强度；利用该粉芯丝材在直径157 mm的圆柱面上成形了两层金字塔点阵结构。结果表明：Al和NiO冶金反应的最大反应速率温度为1 038.9℃，能够在电弧增材制造条件下可靠进行；粉芯中含1.5%NiO的铝合金粉芯丝材在电弧增材制造中电弧稳定、熔滴呈均匀小颗粒过渡、过程平稳、飞溅率小于0.74%。研发的粉芯丝材成形点阵单元杆表面粗糙度小于10.40μm，自生成了大量的密排六方α-Al₂O₃，尺寸在50～300 nm之间，与铝基体的界面结合良好；单元杆的热导率为103.68 W/(m·K)，平均抗拉强度达到了288 MPa；成形的圆柱面点阵单元杆直径误差在±0.1 mm以内，倾角误差在±0.9°...     

(Hf0.25Zr0.25W0.25Ti0.25)B2高熵陶瓷的组织结构与力学性能

为了提高高熵硼化物陶瓷的性能,扩大高熵硼化物陶瓷家族,本文通过硼热/碳热还原法结合SPS制备(Hf_0.25Zr_0.25W_0.25Ti_0.25)B₂高熵硼化物粉末与陶瓷,并对其物相组成、组织形貌和力学性能进行研究。结果表明,经1 600℃热处理后(Hf_0.25Zr_0.25W_0.25Ti_0.25)B₂高熵硼化物粉末除了检测出高熵相,还检测到W₂B₅第二相,粉末粒径为(0.29±0.03)μm;2 000℃烧结后W₂B₅减少,高熵相的衍射峰向高角度偏移,致密度达95.7%,引入WB₂后其具有优异的力学性能,硬度(21.3±1.5) GPa,断裂韧性(3.00±0.22) MPa·m^1/2。     

等离子喷涂与激光重熔复合制备Mo2NiB2涂层的组织和性能研究

采用大气等离子喷涂方法在Q235低碳钢表面制备Mo₂NiB₂基金属陶瓷涂层,选取300 W和500 W功率对其进行激光重熔。结果表明,激光重熔可以显著减少涂层的缺陷,使组织结构变得更加致密,界面处的弱机械结合转变为良好的冶金结合。随着激光功率的提高,涂层的结合强度和耐腐蚀性能提高,最大结合强度为38.08 MPa,最小腐蚀电流为0.033μA/cm²,但硬度和耐磨性降低,最小硬度为1781HV_0.2,最大体积摩擦率为6.25×10^–5 mm³/(N·m)。上述等离子喷涂及2种激光重熔的Mo₂NiB₂基金属陶瓷涂层的硬度、结合强度、耐磨性和耐腐蚀性都明显高于Q235低碳钢基体。     

激光选区熔化TC4合金在HF–H2O2体系的化学抛光研究

采用HF–H₂O₂溶液对激光选区熔化TC4合金进行化学抛光。以抛光前、后试样表面的形貌、粗糙度、光泽度、失重和减薄率为指标,探究抛光时间、H₂O₂浓度对样品表面抛光效果的影响。结果表明,随抛光时间增加,粗糙度逐渐降低,光泽度、失重率和减薄率逐渐提高;随H₂O₂浓度增大,粗糙度先降低后增大,光泽度、失重率和减薄率则先提高后降低。其中,在HF/H₂O₂体积比1:5、时间8 min时,钛合金表面的抛光效果较好,试样表面粘附的粉末完全去除,表面粗糙度Ra达到(3.5±0.3)μm、表面光泽度达到(80.3±0.7)GU,相对于打印态表面(Ra(13.3±0.8)μm、光泽度(0.9±0.3)GU)显著提升。同时也探讨了钛合金在HF–H₂O₂体系的化学抛光机理。     

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     

高温热暴露对Al2O3/Al2O3陶瓷基复合材料性能影响

研究1000～1200℃高温热暴露对多孔基体Al₂O₃/Al₂O₃陶瓷基复合材料性能的影响，结果表明：1000℃热暴露100 h对复合材料拉伸强度无影响，1100℃热暴露100 h后拉伸强度略有降低，1200℃热暴露100 h后拉伸强度明显降低。进一步研究1200℃不同热暴露时长对Al₂O₃/Al₂O₃复合材料、氧化铝纤维及氧化铝基体性能的影响，并采用光学显微镜、SEM对试样的微观形貌进行表征。结果表明：1200℃热暴露100 h对氧化铝纤维的性能影响较小，但对氧化铝基体的影响较大，1200℃热暴露仅10 h后，氧化铝基体的孔隙率明显降低，密度明显增加；从基体断口的SEM形貌可以看出，随着1200℃热暴露时间的增加，氧化铝基体中的晶粒尺寸逐渐增大，基体发生进一步的烧结，相应地，从Al₂O₃/Al₂O₃复合材料的断口形貌可以看出...     

闪烧恒流保持时间对MgO-Y2O3复相陶瓷力学性能的影响

随着红外技术的应用和发展，红外窗口材料需要具备更高的性能。MgO-Y₂O₃复相陶瓷相比单一相Y₂O₃陶瓷具有更好的力学性能和更高的抗热冲击品质因子，同时兼具良好的光学透过性。但传统的烧结技术均需在高温高压下才能完成，这不利于通过获得细小的晶粒来提高性能。而闪烧具有烧结温度低，烧结速度快，保温时间短等特点，所获得的材料晶粒更加细小，性能更好。将闪烧用于制备MgO-Y₂O₃复相陶瓷，其性能有望得到进一步提高。实验结果表明：闪烧4到9s后，功率密度维持在700mW/mm³左右；随着恒流保持时间的增加，相对密度、维氏硬度逐渐增加，平均晶粒尺寸先减小后增大，断裂韧性先增加后减小。当恒流保持时间为62s时，相对密度和维氏硬度均达到最大值，分别为94.13%和7.87GPa;当恒流保持时间为25s时，晶粒尺寸达到最小值0.39μm,断裂韧性达到最大值1.99MPa·m^1/2。     

Al2O3陶瓷与GH3536真空钎焊接头界面组织与力学性能

采用Ag-5.0Cu-1.0Al-1.25Ti银基钎料通过真空钎焊的方法实现了Al₂O₃陶瓷与镍基高温合金GH3536的连接。为明确钎焊接头的界面形成机理,通过扫描电子显微镜和X射线衍射分析的测试方法研究了接头的界面组织结构与物相组成。同时探究了钎焊温度与保温时间对接头微观组织与力学性能的影响规律,从而实现工艺参数的优化。研究表明：在钎焊温度为970℃,保温时间为10 min的条件下,Al₂O₃/GH3536钎焊接头的典型界面组织为Al₂O₃/Ti₃（Cu, Al）₃O/Ag（s, s）+AlCu₂Ti/TiNi₃+TiFe₂/GH3536,其接头的抗剪强度最高可达到194±10 MPa。随着钎焊温度的升高和保温时间的延长,Ti₃（Cu, Al）₃O反应层的厚度增加,钎缝中的富Cu相减少,AlCu     

某型航空发动机α2自动上升现象研究

某型航空发动机在使用过程中多次出现开车前接通飞机增压泵后,高压压气机进口可调叶片角度α₂自动上升现象。本文根据发动机α₂传动机构结构、α₂控制原理,结合修理实际,对该现象进行分析,并提出具体处理方法。     

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。     

Micro powder injection molding of boron carbide components with SiC-Al2O3-Y2O3 sintering additives

Sintering additives and micro-powder injection molding offer an effective method to densify boron carbide（B₄C） and make B₄C components with complex shapes. By adjusting the proportion of three kinds of powders（SiC, Al₂O₃ and Y₂O₃）, four kinds of sintering additives were prepared. The feedstock uniformity, debinding behavior, phase composition and microstructure of micro injection molded B₄C components with different sin...     

La2Zr2O7弹性常数及最低热导率的第一性原理计算

采用基于第一性原理的赝势平面波法计算了新型热障涂层陶瓷材料La2Zr2O7的弹性常数和热力学性质。计算结果表明:优化后的La2Zr2O7的晶格常数为1.0934 nm,当O(48f)的位置参数为0.329时其晶胞总能量最低;由计算得到的三个弹性刚度张量C11,C12,C44、体弹性模量B和剪切模量G可知La2Zr2O7的结构非常稳定;La2Zr2O7的杨氏模量E=201.50GPa,泊松比为0.274,同性系数为0.733,具有一定的脆性;计算得到的La2Zr2O7德拜温度为619.4K,等容比热为274.3J.mol-1.K-1,最低热导率为1.31W.m-1.K-1,与利用激光脉冲法在1473K测得的热导率1.55 W.m-1.K-1相比,相差15.48%。     

等离子喷涂(RE–Al)TaO4钽酸盐环境障涂层性能研究

陶瓷基复合材料作为广泛应用于航空航天领域的先进结构材料,在实际服役环境中依赖于环境障涂层的保护作用,钽酸盐以其优异的高温热–力学性能和与陶瓷基复合材料适配的热膨胀系数((3.5～5.5)×10^–6 K^–1)成为极具潜力的环境障涂层材料。通过大气等离子喷涂(Atmospheric plasma spraying,APS)工艺在碳化硅纤维增强碳化硅基复合材料(SiC_f/SiC)表面成功制备了(AlTa_x)B_2–2xO₄/(RE–Al)TaO₄复合涂层,探索了涂层的最佳热处理工艺条件,同时对不同涂层结构方案的复合材料涂层试样进行1300℃热疲劳考核和弯曲强度测试,筛选出具有最优抗热疲劳性能的涂层结构,并通过XRD、SEM以及金相显微镜对涂层的表面形貌、裂纹扩展及元素分布进行了分析表征,相对于传统材料涂层,钽酸盐复合涂层以其在高温下优越的综合性能成为极具潜力的环境障涂层。     

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...     

Ti-Al-V-Zr合金的团簇式设计及铸态组织和力学性能

Ti-6Al-4V是目前应用最广泛的钛合金，但其铸态强塑性不足。本研究设计思想基于Ti-6Al-4V合金双团簇成分式α-{[Al-Ti₁₂](AlTi₂)}₁₂+β-{[Al-Ti₁₄](V₂Ti)}₅：首先通过改变β相团簇式个数为2，使合金成分偏向α-Ti，其次增加β相团簇式中V原子个数至3，提高了β-Ti结构单元稳定性，然后用不同个数Zr(x=1、2、3、5)替代β相团簇式中Ti，最后得到了团簇式α-{[Al-Ti₁₂](AlTi2)}₁₅-β-{[AlTi_14-x Zr_x]V₃)}₂，设计了Ti-(6.64～6.82)Al-(2.42～2.35)V-(1.44～7.02)Zr (质量分数/%)合金，采用非自耗真空电弧炉熔炼制备合金铸锭，并用真空铜模吸铸成合金棒材，进而对不同合金样品进行显微组织表征和拉伸测试。结果表明：合...     

B4C改性SiC/SiC复合材料自愈合机理研究

采用预浸料–熔渗工艺制备了B₄C改性SiC/SiC复合材料(SiC/SiC–B₄C复合材料),研究了SiC–B₄C改性基体在700℃、1000℃、1200℃、1350℃下氧化50 h的本征氧化行为及自愈合规律,有效观察到了基体的自愈合行为,同时考察了SiC/SiC–B₄C复合材料的抗氧化性能,通过材料重量变化和强度保持率衡量其在氧化环境中的损伤程度,揭示了氧化行为。研究结果表明,氧化初期B₄C开始发生氧化反应,此时的液态自愈合相主要成分为B₂O₃。随着温度的升高,氧化生成的SiO₂将与B₂O₃结合生成硅硼玻璃相,当温度进一步升高至1350℃时,由于硅硼玻璃分解加剧,导致自愈合效果减弱。此外,高温导致的硅硼玻璃黏度下降也将有利于氧化介质扩散。SiC/SiC–B₄C复合材料在1200℃氧化50 h后仍保持较好的力学性能,说明B₄C...