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。     

等离子-物理气相沉积硅/莫来石/硅酸镱环境障涂层的高温防护和耐热冲击性能研究

通过SiCf/SiC复合材料表面等离子喷涂(APS)硅黏结层和莫来石中间层,等离子-物理气相沉积(PS-PVD)制备硅酸镱面层,喷涂的整个环境障涂层体系组织致密,PS-PVD工艺制备的硅酸镱为层状结构,孔隙率＜1％.研究了 SiCf/SiC复合材料环境障涂层的抗静态氧化、循环氧化、水汽腐蚀和热冲击性能,发现复合材料表面...     

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。     

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。      

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。     

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...     

MoSi2-YSZ高发射涂层对硅橡胶基防热材料的隔热及抗热振性能影响

制备了MoSi₂-YSZ复合硅橡胶基辐射型热防护涂层，并对其耐烧蚀性能和抗热振性能进行了表征。结果表明：与传统烧蚀型涂层相比，辐射型涂层在0.3～2.5μm波段发射率达到0.93以上，且静态热流测试背板温升降低60%，热振测试背板温升降低30%。辐射型涂层在热振测试中由于辐射散热机制表现出对温度响应的迟滞性，使得背板温度变化率的峰值降低40%。MoSi₂氧化形成的致密氧化层具有良好的保护性和自愈合性，从而提高了涂层的耐烧蚀和抗热振性能。     

热载荷下热障涂层表面裂纹-界面裂纹的相互作用

针对热障涂层在热循环载荷下陶瓷层表面和氧化层/黏结层界面形成裂纹而导致涂层失效的问题,采用扩展有限元和内聚力单元建立陶瓷层表面裂纹与氧化层/黏结层界面裂纹相互作用的有限元模型,得到不同裂纹附近应力分布和开裂程度,分析了这2种裂纹之间的相互影响,结果表明:表面裂纹对界面裂纹影响较大,而界面裂纹对表面裂纹影响较小;氧化层几何参数以及材料参数对2种裂纹演变的影响研究结果表明:氧化层正弦幅值和厚度主要影响界面裂纹,在热载荷下,氧化层越粗糙,界面裂纹扩展速度越快。黏结层弹性模量主要影响界面裂纹扩展程度,而陶瓷层弹性模量主要影响表面裂纹扩展程度,对界面裂纹间接地产生较大影响。     

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。     

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。     

电弧离子镀Al扩散障结构及抗高温氧化性能研究

采用电弧离子镀技术(AIP)在HY3(NiCrAlYSi)涂层与镍基高温合金(K5合金)之间沉积一层Al薄膜经过马弗炉870℃加热1h形成Al2O3作为扩散障层,研究了Al2O3对HY3(NiCrAlYSi)涂层与基体的元素互扩散的阻碍作用和对涂层氧化动力曲线的影响。对于添加扩散障层前后的试样,进行循环抗氧化试验来评价其抗高温氧化性能,并用扫描电镜(SEM)分析氧化前后试样微观形貌和成分,用X-射线衍射仪分析涂层的相结构。试验结果表明:Al2O3有效阻止基体与涂层之间的元素互扩散,提高了HY3(NiCrAlYSi)涂层和K5合金的抗高温氧化性能。     

高温氧化对粉末高温合金微观结构和疲劳性能影响研究

为了探究涡轮盘用粉末高温合金表面氧化对其低周疲劳性能的影响，分别针对第三代镍基粉末高温合金的粗晶(Coarse grain,CG)和细晶(Fine grain,FG)材料开展氧化时间对其疲劳性能影响机理的研究。通过在700℃空气环境下开展不同时长的高温预氧化实验和低周疲劳(Low-cycle fatigue,LCF)实验，使用SEM和EDS表征LCF断口、表面氧化层结构成分及其强化相形貌变化，揭示LCF裂纹萌生机理。实验结果表明，氧化层厚度随氧化时间而增加，氧元素以氧化侵入的形式进入基体；相同氧化时间下，CG抗氧化性能优于FG；疲劳裂纹萌生于氧化侵入和亚表面夹杂物等应力集中部位，在实验温度下LCF寿命受氧化作用和夹杂物共同影响；高温氧化作用下氧化层呈现分层结构，外层为NiO，中间层为含有Cr₂O₃,TiO₂等复杂氧化物及尖晶石相(NiCr₂O₄)的混合层，内层为Al₂O₃;CG二次γ’相氧化后平均尺寸增加，FG二次γ’相平均尺寸没有明...     

SiCf/TC17复合材料制备方法对界面反应层生长动力学的影响

连续SiC纤维增强钛基复合材料(SiC_f/Ti复合材料)具有良好的比强度和综合力学性能，是新一代装备研制备受关注的轻质高温结构材料。SiC_f/Ti复合材料可采用箔压法(FFF)和基体涂层法(MCF)进行制备，为对比两种工艺方法对其界面反应生长的影响，采用FFF和MCF分别制备SiC_f/TC17复合材料。对两种工艺制备的SiC_f/TC17复合材料在高温下(800～900℃)进行热暴露处理，通过扫描电镜对其微观结构及界面反应层厚度进行分析，获得界面反应层在高温下的生长速率，并进一步获得不同制备工艺状态下材料的界面反应动力学参数。结果表明：相同温度下MCF法制备的SiC_f/TC17复合材料界面反应速率大于FFF法制备的复合材料，前者的反应速率因子k₀为4.942×10^-3 m/s^1/2，反应激活能Q为276.3 kJ/mol，后者的界面反应速率因子k₀为8.149×10^-3 ...     

热障涂层的激光表面改性参数优化和结构设计

热障涂层是航空发动机涡轮叶片关键核心技术之一,但在服役条件下常受环境沉积物、熔盐等的腐蚀而过早失效。激光表面改性是一种提高涂层抗腐蚀性能的有效办法,但改性涂层的激光工艺优化和结构设计亟待研究。本文采用脉冲Nd：YAG激光系统对Y₂O₃部分稳定ZrO₂（YSZ）热障涂层进行表面改性,研究了激光功率、扫描速度以及光束长度对改性层厚度、微观结构的影响。结果表明,激光改性层呈致密的柱状晶结构,并有纵向裂纹贯穿其中。改性层的厚度与激光功率成正比,受扫描速度影响不大,与光束长度成反比。激光功率过高,则改性层裂纹增加明显;光束长度过大,则改性层与下方涂层的界面缺陷增多,不利于界面结合。优化的激光改性参数为：激光的功率为75~80 W,扫描速度8 mm/s,光束长度为160 mm。设计了双层激光改性层,每层中的纵向裂纹不连续,使得整个改性层中无贯穿的纵向裂纹,有助于抑制高温腐蚀熔体的内渗。     

航空发动机及燃气轮机涡轮叶片热障涂层技术研究及应用

介绍了航空发动机及燃气轮机涡轮叶片热障涂层技术的研究和应用情况,对热障涂层黏结层和陶瓷层的材料、制备、应 用及主要失效原因等4个方面的现状和发展趋势进行了综述。详细介绍了应用广泛的黏结层材料MCrAlY以及近几年新兴的 PtAl;包括多元稀土氧化物掺杂ZrO2、萤石结构化合物、稀土锆酸盐等的陶瓷层材料;目前广泛用于生产的等离子喷涂、电子束物 理气相沉积等制备技术;着重介绍了热障涂层在中国的应用情况。主要从TGO和CMAS 2方面对热障涂层的失效原因分别进行 了分析。简要论述了涡轮叶片热障涂层研究未来将向着1300 ℃以上超高温陶瓷层、1200 ℃以上抗氧化并与先进单晶高温合金界 面匹配良好的金属黏结层、长寿命且抗CMAS性能良好的方向发展。     

NiCoCrAlY/YSZ梯度涂层热力学性能的有限元模拟

采用代表体积单元法建立NiCoCrAlY/YSZ梯度热障涂层的有限元二维微观模型，计算不同相成分配比下梯度层的热物理性能参数，将参数结果推广到三维多层涂层实体模型，研究热循环过程中双层结构涂层和梯度结构涂层的热力学性能。结果表明：梯度层的弹性模量、泊松比、热膨胀系数、导热系数与各相成分比例近似呈线性关系，导热系数受各相分布形态的影响；当梯度层中NiCoCrAlY相成分比例在0.7以下时，导热系数较低，常温状态最高为2.91 W·m^-1·K^-1。相比于双层结构涂层，梯度结构涂层的YSZ成分比例降低20%，隔热温度降低14%，陶瓷面层在高温时产生的热失配径向拉应力降低47%，轴向拉应力降低32%，切应力降低37%，冷却后的残余应力降低50%，这归因于涂层结构的梯度化有效降低涂层与基体热膨胀系数不同而产生的热失配应力。根据涂层应力分布结果，涂层易在TC/BC界面的中心区域形成垂直裂纹，靠近外侧边缘区形成水平裂纹。     

陶瓷基复合材料及其环境障涂层发展现状研究

陶瓷基复合材料(Ceramic Matrix Composites,CMC)具有耐高温、低密度、抗氧化、抗腐蚀、耐磨损等一系列优越性能,被视为新一代高推重比航空发动机高温部件的首选材料。但CMC在应用环境中存在抗水汽氧化性能不足等问题,需要在环境障涂层(Environmental Barrier Coatings,EBCs)的保护下长期服役。首先介绍了陶瓷基复合材料和环境障涂层的整体发展现状,其次分别对陶瓷基复合材料和环境障涂层进行详细论述;综述了陶瓷基体、纤维、界面层和陶瓷基复合材料的研究进展、应用情况以及近些年国内外学者新的研究成果;同时介绍了环境障涂层的研究进展、制备方法,并综述了其失效机理的研究进展;总结了陶瓷基复合材料和环境障涂层当前存在的问题,并对今后研究工作的重点作出了展望。     

孔隙率对五元陶瓷体系材料热导率的影响

随着航空航天技术的发展,热端部件防护材料也需要满足更高的要求。本工作基于固相反应法和分子动力学模拟研究(Zr_xY₍(1-x/4))Ta₍(1-x/4))Ti₍(1-x/4))Er₍(1-x/4))O(x=0.2、0.544、0.672、0.796和0.92)五元陶瓷体系复合材料。采用ZrO₂(99.99%)、Y₂O₃(99.99%)、Ta₂O₅(99.99%)、Er₂O₃(99.99%)和TiO₂(99%)粉末作为原料,通过固相反应法制备(Zr_xY₍(1-x/4))Ta₍(1-x/4))Ti₍(1-x/4))Er₍(1-x/4)))O复合材料。用LAMMPS程序计算研究(Zr_x     

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...     

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。