新型高温/超高温热障涂层及制备技术研究进展

简单介绍了先进航空发动机高温/超高温热障涂层(TBCs)的研究背景、意义和现状;简述了近年来国际上在新一代超高温TBCs方面的研究进展。重点介绍了近年来北京航空航天大学在新型高温/超高温TBCs方面的研究成果,包括新型超高温、高隔热陶瓷隔热层材料,1 150℃以上新型抗高温氧化金属粘结层材料,以及电子束物理气相沉积(EB-PVD)、等离子体激活EB-PVD(PA EB-PVD)和等离子物理气相沉积(PS-PVD)等新型制备工艺。最后对TBCs在未来高性能航空发动机上的应用及发展趋势进行了展望。     

航空发动机陶瓷热障涂层技术

介绍了西方及俄罗斯采用陶瓷热障涂层来保护航空发动机的热端部件。电子束物理气相沉积(EB-PVD)方法制备热障涂层(TBC)技术的出现,可望解决发动机转子件热保护这一难题。     

高推重比发动机热障涂层应用现状分析

介绍了热障涂层(TBC)的主要材料和制备工艺,分析了TBC在国内外航空发动机中的典型应用实例。目前工程应用的TBC多为由金属底层和陶瓷面层组成的双层结构,金属底层采用MCr Al Y包覆型涂层或Pt-Al(或Al)渗层,陶瓷面层采用YSZ涂层。美国的航空发动机中,体积较大的静子零件多采用VPS MCr Al Y底层+APS YSZ面层的TBC,体积较小的转动零件主要采用Pt-Al渗层(或EB-PVD MCr Al Y)+EB-PVD YSZ面层的TBC。我国的航空发动机中,燃烧室浮动瓦片和高压涡轮导叶等零件采用了TBC,其主要技术难点在于涂层的厚度均匀性控制、表面粗糙度控制以及涂层对气膜孔影响的控制等方面。     

先进的航空发动机涡轮叶片涂层技术

随着高性能航空发动机涡轮进口温度日益提高，涂层技术在涡轮叶片上得以广泛应用。本文介绍了航空发动机涡轮叶片的两种功能涂层及其涂层材料和制备工艺，并阐述了其应用技术经济效益，最后展望了今后的研究方向。     

航空发动机新型热障涂层研究进展

随着航空发动机使用环境要求不断提升,现有热障涂层技术在热物理性能和热稳定方面难以满足现 代航空发动机的发展需求。本文介绍了热障涂层制备工艺,热障涂层材料的设计和选择,以及热障涂层的失效 机理;归纳了热障涂层新型材料在材料热物理性能及材料稳定性方面的研究进展。指出了后续航空发动机新 型热障涂层的发展趋势,为后续研究提供了方向。     

EB-PVD方法制备热障涂层热循环性能研究

采用电子束物理气相沉积(EB-PVD)技术在不同基体预热温度条件下制备NiCoCrAlY粘结层和氧化钇部分稳定的氧化锆面层。对样品进行了热循环试验。观察热循环过程中热障涂层显微结构的变化并分析了连续恒温氧化与热循环氧化间的差异,提出了EB-PVD热障涂层热循环的失效机理。     

热障涂层结合强度及失效模式研究

采用实验方法研究了热障涂层的结合强度,并探讨了温度、氧化时间、涂层厚度以及基体等因素对结合强度的影响。涂层采用了等离子和EB-PVD两种喷涂工艺,采用双向测试法,分析了粘结层氧化对涂层法向和切向结合强度的影响,研究结果表明同一种喷涂工艺方法,尽管涂层厚度不同,但其结合强度是非常接近的,为带涂层航空发动机部件的强度设计和分析以及涂层失效模型的建立提供的参考。      

新型多组元复合粉末等离子喷涂工艺研究

多组元复合粉末制备的可磨耗封严涂层在先进航空发动机中已经广泛应用。本文对新型多组元粉末制备可磨耗封严涂层的工艺进行了实验设计(DOE),结果表明等离子喷涂时的氩气流量和氢气流量对封严涂层硬度值影响最大,经过优化后涂层的硬度可达到5.4～5.5mm的压痕直径,满足先进航空发动机封严涂层维修要求。     

航空发动机叶片用热障涂层的现状

航空发动机性能的要求对叶片的涂层提出了技术及经济上的挑战。本文对发动机涡轮叶片热障涂层的发展作了综合叙述，重点对美、法及独联体国家不同涂层工艺及所用的涂层材料技术作了说明。最后指出了今后的研究及发展方向。     

航空发动机高温防护涂层技术发展现状与标准需求

结合高温防护需求–涂层材料和结构设计–涂层制备技术–涂层性能评价这一主线,探讨了国内外航空发动机热端部件常见高温防护涂层领域内相关标准的制修订现状,并结合航空发动机的发展趋势和科研生产的实际需求,提出了该领域内标准制修订工作的一些建议。     

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。     

电子束物理气相沉积YSZ热障涂层热循环性能

考察了YSZ热障涂层的抗热循环性能;分别利用SEM、XRD分析了热循环前后涂层的显微结构和相组成。经分析可知,YSZ热障涂层具有典型的柱状晶结构,沉积态时YSZ涂层为t/t′相,经过600次热循环后,YSZ涂层未发现脱落。     

EB-PVD热障涂层对IC10合金力学性能的影响

采用电弧离子镀技术在IC20合金基体上制备NiCrAlYSi粘结层,利用电子束物理气相沉积（EB—PVD）技术在粘结层上制备YSZ陶瓷面层。研究了YSZ热障涂层对IC10合金拉伸、持久、疲劳性能的影响。结果表明：IC10合金沉积YSZ热障涂层后,980℃／200MPa高温持久寿命与IC10合金相当;900℃高温抗拉强度σb、屈服强度σ0.2、伸长率占和断面收缩率砂与基体相比,基本保持不变;室温抗拉强度σb。屈服强度σ0.2：与基体相比稍有下降;800℃／447MPa疲劳寿命与基体合金相当。因此,IC10合金沉积TBCs涂层后,对IC10合金力学性能无明显影响,不影响合金的实际使用。     

微叠层结构EB-PVD热障涂层

采用EB-PVD非连续沉积工艺制备了微叠层结构热障涂层,对涂层结构和晶体形貌进行了SEM观察和分析,采用激光脉冲法测定了涂层的热扩散系数,并采用增重法研究了涂层的氧化动力学特征,分析了氧化后的元素扩散情况.结果表明,非连续EB-PVD沉积工艺制备的涂层具有明显的层状特征,常规EB-PVD热障涂层的柱状晶结构被周期性地打破;但在每一层中,柱状晶结构得以保留,且晶粒更加细化.微叠层热障涂层的热扩散系数比常规热障涂层降低20%～30%,涂层热扩散系数的降低主要与层间界面和晶粒的细化减小了声子的平均自由程有关.微叠层结构热障涂层的氧化增重速率明显低于常规试样,遵循典型的抛物线规律,垂直于元素扩散方向的层间界面和细晶更有效地降低或阻止了O、Al、Ni、Cr等元素的扩散,可能是氧化增重速率较低的主要原因.     

7YSZ coating prepared by PS-PVD based on heterogeneous nucleation

Plasma spray-physical vapor deposition (PS-PVD) as a novel coating process based on low-pressure plasma spray (LPPS) has been significantly used for thermal barrier coatings (TBCs). A coating can be deposited from liquid splats, nano-sized clusters, and the vapor phase forming different structured coatings, which shows obvious advantages in contrast to conventional technologies like atmospheric plasma spray (APS) and electron beam-physical vapor deposition (EB-PVD). In addition, it can be used to produce thin, dense, and porous ceramic coatings for special applications because of its special characteristics, such as high power, very low pressure, etc. These provide new opportunities to obtain different advanced microstructures, thus to meet the growing requirements of modern functional coatings. In this work, focusing on exploiting the potential of gas-phase deposition from PS-PVD, a series of 7YSZ coating experiments with various process conditions was performed in order to better understand the deposition process in PS-PVD, where coatings were deposited on different substrates including graphite and zirconia. Meanwhile, various substrate temperatures were investigated for the same substrate. As a result, a deposition mechanism of heterogeneous nucleation has been presented showing that surface energy is an important influencing factor for coating structures. Besides, undercooling of the interface between substrate and vapor phase plays an important role in coating structures.     

电子束物理气相沉积La2Zr2O7热障涂层研究

为克服传统热障涂层材料YSZ耐温性能和隔热性能的不足,以ZrO2和La2O3为原料,采用无压烧结法合成了烧绿石结构化合物La2Zr2O7,用电子束物理气相沉积(EB-PVD)法在高温合金基体上制备了La2Zr2O7涂层,分析了涂层的成分,并对其显微结构、热物理性能与传统YSZ热障涂层进行了对比研究.结果表明,La2Zr2O7涂层成分处于P结构范围内,呈典型的柱状晶结构,柱状晶头部呈明显的金字塔形状.与传统YSZ柱状晶相比,La2Zr2O7涂层的柱状晶紊乱度更大,尺寸更加细小,并且柱状晶上的树枝状亚晶更多.在25～1200℃范围内,La2Zr2O7涂层的热导率最大为0.985W/(m·K),最小为0.796 W/(m·K),大大低于同条件下的YSZ涂层.低本征热导率、小柱状晶直径、大紊乱度、密度轻及高孔隙率是造成La2.Zr2O7涂层低热导率的主要因素.     

热障涂层残余应力的相移云纹法测试

本文针对的热障涂层（ＴＢＣ）的细微结构和微小变形特点,提出了一种新的高精度的相移云纹图像处理实验技术,把它同释放法相结合,利用高温云纹光栅,对电子束—物理气相沉积（ＥＢ－ＰＶＤ）热障涂层的残余应力分布进行了测试研究,并与其它方法进行了比较分析。     

盐雾腐蚀对热障涂层高温循环氧化性能的影响

利用电子束物理气相沉积法在Ni基高温合金表面制备了(ZrO₂＋MCrAlY)双层结构热障涂层。研究了常温盐雾腐蚀对其循环氧化行为的影响。试验结果表明涂层经过常温盐雾腐蚀后,陶瓷层的裂纹发生扩展,氧化锆晶体挤压、变形,同时由于常温盐雾环境的作用导致涂层在高温氧化过程中粘结层氧化严重,生成的热生长氧化层产生较大的体积膨胀效应,导致应力集中,降低了涂层的高温循环氧化性能,缩短了涂层的寿命。     

电子束物理气相沉积热障涂层寿命预测模型

为了准确预测热障涂层（TBCs）的剥落寿命，把涂层使用过程中所存在的潜在危险减到最低，建立精确的热障涂层寿命预测模型具有十分重要意义。本文介绍了一种电子束物理气相沉积（EB-PVD）技术制备的热障涂层的寿命预测模型。该模型是通过对EB-PVD热障涂层陶瓷的物理和力学性能、结合强度的测定，热生长氧化层（TGO）生长动力学的研究以及热循环剥落寿命数据的定量研究而建立的一个TBCs系统的非线性寿命预测模型。从涂层实际寿命与模型预测寿命对比发现，该模型预测的涂层寿命与涂层的实际寿命相吻合。     

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。