基于微观结构的热障涂层冲蚀机理数值分析

冲蚀对热障涂层寿命和可靠性会造成严重影响,为深入研究热障涂层冲蚀失效机理,建立了等离子喷涂和电子束物理气相沉积两种热障涂层典型微观结构有限元模型,同时采用LS-DYNA软件模拟了热障涂层冲蚀失效过程。分析了不同微观结构对热障涂层冲蚀失效机理的影响,研究了冲蚀粒子的速度、角度和直径对冲蚀率的影响。结果表明:微观结构对冲蚀机理有极其重要的影响,无因次冲蚀率随冲蚀粒子的速度、角度和直径的增大而增大。此数值模拟方法可为进一步研究热障涂层的抗冲蚀性能提供参考。     

TiN/Ti强韧涂层在砂尘高速冲蚀下的失效机理

利用高速连续冲蚀试验系统,在不同的冲击角及供砂量下,对有无TiN/Ti强韧涂层的不锈钢试件进行了砂尘高速冲蚀试验,获得了试件的质量冲蚀率。采用扫描电镜(SEM)对涂层损伤表面及断面形貌进行观测与分析,研究TiN/Ti涂层在不同冲击条件下的失效机理。结果表明:TiN/Ti涂层质量冲蚀率随冲击角及供砂量的增加而增加。在低冲击角下,砂尘粒子的切削作用是导致涂层材料剥落的主要原因；高冲击角下,砂尘冲击引起的裂纹萌生及扩展致使涂层材料块状破碎而剥落。TiN/Ti涂层显著提高了不锈钢的抗冲蚀性能,尤其是在低冲击角下。低冲击角下,涂层能将不锈钢的冲蚀性能提高约5倍；高冲击角下能提高约2倍。      

TC4钛合金与多层TiN/Ti涂层的砂尘冲蚀损伤试验

建了砂尘冲蚀试验系统,采用粒子成像测速方法获得了气体压力和砂尘速度之间的关系,并在砂尘质量浓度为28.91g/m3,速度为80m/s,冲蚀角度为30°的条件下,对TC4钛合金和多层TiN/Ti涂层进行了冲蚀试验.结果表明:TC4钛合金抗冲蚀损伤能力较差,平均质量损失率达0.7mg/min.多层TiN/Ti涂层可承受砂尘冲蚀200min以上,且TiN/Ti调制比为1:3涂层的抗冲蚀能力优于调制比为1:1的涂层.砂尘粒子垂直冲击速度分量引起的微区剥落是涂层冲蚀损伤的主要原因,增加多层涂层韧性是提高其抗冲蚀性能的关键.      

固体颗粒冲蚀对钛合金ZrN涂层抗冲蚀性能的影响

采用真空电弧镀在TC11钛合金上沉积ZrN涂层,固体颗粒冲蚀实验研究不同冲蚀颗粒、冲蚀速度、冲蚀角度对涂层抗冲蚀性能的影响,并用SEM观察表面及断面形貌.结果表明,在相同冲蚀条件下,ZrN涂层冲蚀率随冲蚀颗粒硬度、冲击角度及冲蚀颗粒速度的增加而增加,冲蚀角度为90°时,ZrN涂层冲蚀速率最大,ZrN涂层提高了TC11钛合金的抗冲蚀性能.     

微弧等离子堆焊沉积Ni/硅藻土高温封严涂层的腐蚀磨损特性

高温封严涂层在腐蚀环境中的摩擦磨损是影响其服役寿命的主要问题之一。为此,研究了微弧等离子堆焊沉积Ni/硅藻土封严涂层的工艺规律与腐蚀摩擦学性能。对粉末和涂层的基本结构的表征显示:涂层呈现堆叠结构,含有大量孔隙,涂层主要由Ni,SiO_2和少量NiO组成。涂层的内聚强度平均达到8.78MPa,在拉伸应力作用下表现为以扁平化粒子边缘为主,沿着孔隙率方向应力集中的脆性断裂,以及在应力集中部位导致硅藻土粒子内部的穿晶断裂。当堆焊电流为40A时,微弧等离子堆焊制备的Ni/硅藻土封严涂层在盐环境和酸环境的摩擦系数和磨损率分别达到0.524,16.354wt.‰和0.5099,17.317wt.‰。Ni/硅藻土可磨耗封严涂层在酸性环境的腐蚀能力较低,其平衡电位达到-708m V。     

粒子分离器叶片涂层冲蚀磨损的数值模拟

以叶片涂层为对象,研究其冲蚀过程中损伤的演化过程.首先进行了流场计算.其次通过对单个固体颗粒冲蚀过程的模拟,提出了"碰撞有效影响区域"的概念,使得多个固体颗粒连续冲蚀数值模拟得以实现.接下来通过模拟"碰撞有效影响区域"内材料受到固体颗粒连续冲蚀的过程获得材料的抗冲蚀磨损性能.最后,将流场数据和涂层抗冲蚀磨损性能参数相结合来模拟叶片涂层的冲蚀过程,指出了涂层的薄弱区域并进行了寿命预测.      

离子辅助电弧沉积ZrN梯度涂层抗固体粒子冲蚀行为研究

为有效提高2Cr13不锈钢表面大攻角固体粒子冲蚀(SPE)抗力,利用离子辅助电弧沉积技术在氮化预处理的2Cr13钢表面制备了不同结构、不同厚度的ZrN梯度涂层,研究了涂层结构和厚度对膜基结合强度、涂层显微硬度、韧性、动静态承载能力以及抗固体粒子冲蚀行为的影响。结果表明:将合理结构的ZrN梯度涂层与离子氮化有机复合,能够获得承载能力高、界面应力应变协调性好、结合强度高、强韧性配合合理,抗多冲疲劳和抗塑性流变性能优的复合改性层,其90°大攻角SPE抗力显著高于2Cr13不锈钢基材。ZrN梯度涂层的SPE抗力同时与涂层厚度密切相关,当ZrN梯度涂层较薄时,其协调变形能力及承载能力较低,在冲击载荷作用下容易出现脱层失效,因而SPE抗力较低;当ZrN梯度涂层太厚时,涂层韧性和内聚强度降低,内部残余应力较大,受外界冲击载荷作用时容易出现局部脱层,因此SPE抗力亦不高。     

TC4钛合金表面激光原位反应制备TiN涂层及性能研究

利用激光原位反应技术在TC4钛合金表面制备了无裂纹、组织均匀致密的TiN涂层,并分析了激光氮化层的显微组织、成分和物相,测试了涂层横截面显微硬度、涂层耐磨性能及抗SiO_2颗粒高速冲蚀的能力。结果表明:在适当的激光参数下制备的氮化钛涂层与TC4基体之间呈现良好的冶金结合,其界面结合强度为240～270MPa;涂层主要为硬质TiN相,涂层硬度高达1550HV_(0.1),约为基材的4.5倍;涂层磨损失重量是TC4钛合金的14.7%;在60o冲蚀角度下,基材的冲蚀质量损失为涂层的2倍。     

典型中温封严涂层的抗冲蚀性能

用喷射冲蚀法考核了三类典型中温封严涂层的抗冲蚀性，以确定能反映实际使用情况的抗冲蚀性试验方法。通过对试验结果的归纳、分析，探讨了涂层组织、成分和硬度与抗冲蚀性之间的联系以及系统参量对抗冲蚀性的影响规律。     

韧性材料的冲蚀损伤数值仿真综述

砂尘造成韧性材料的冲蚀损伤现象和损伤演化规律是冲蚀机理研究的重要内容，基于相应冲蚀试验和数值仿真的分析 方法是揭示冲蚀机理的重要手段。回顾了砂尘冲蚀损伤研究的缘起和发展经历，在介绍砂尘冲蚀损伤机理的基础上，总结了当前 数值仿真研究的3种主流方法：有限元方法、无网格方法和计算流体动力学方法。从数值仿真角度针对砂尘对韧性材料造成的破 坏模式、砂尘冲击姿态、砂尘冲击速度和形状、砂尘破碎对材料去除机制的影响等4个方面综述了影响冲蚀损伤机理的主要因素 和当前研究进展。砂尘对韧性材料造成的破坏模式通常分为材料凹陷、滑动、犁削、切削等4种不同机制；砂尘的冲击姿态决定了 材料的损伤模式；砂尘的冲击速度和砂尘的形状决定了材料的损伤严重程度；砂尘破碎现象对材料的去除机制有一定影响。     

可磨耗封严涂层研究进展

可磨耗封严涂层是一种重要的热喷涂涂层,广泛应用于飞机发动机,对提高发动机效率、降低油耗进而提升发动机整体性能具有重要意义.本文介绍了可磨耗封严涂层材料的主要种类及其发展趋势,阐述了可磨耗封严涂层性能评价方法.     

飞机发动机封严涂层的研究

采用正交设计实验方法对 BH封严涂层的组成进行了优选,并对涂层的固化工艺进行了优选,确定了 BH封严涂层的最佳组成和固化工艺。BH封严涂层的外观均匀细致、气孔数量少,且孔径小。涂层的耐冷热循环性能比目前使用的封严涂层提高了 4倍以上,可耐 3 8次冷热循环,且涂层的固化工艺比较简便。研究发现 :BH封严涂层满足了 3 0 0℃条件下热稳定性的要求;石墨填料有利于改善涂层的附着性能;涂层的硬度主要取决于石棉、ZL填料的含量;封严涂层的耐冷热循环性能主要取决于涂层与基体热膨胀系数的差异     

Investigation of high-speed abrasion behavior of an abradable seal rubber in aero-engine fan application

Abradable seal rubber has been widely used in aero-engine fans to improve their efficiency by reducing the clearance between rotating and stationary components. To investigate the high-speed scraping behavior between a vulcanized silicone rubber and a Ti-6Al-4V fan blade and evaluate the abradable performance of seal rubber, abrasion tests were conducted at a blade tip velocity of 50–300 m/s with an incursion rate of 100 lm/s. The influences of the blade tip velocity on the wear mechanism and interaction forces were specially analyzed. It is shown that abrasive wear and pattern wear are the predominant wear mechanisms, and pattern wear can be seen as the emergence and propagation of cracks. With an increase of the blade tip velocity, both of the final incursion depth and wear mass loss of seal rubber exhibit growth trends. The gradual changes of rubbing forces with an increase of rubbing time are the characteristic of abrasive wear, and force curves with unstable mutations are a reflection of pattern wear. At a constant incursion rate of 100 lm/s, the maximum values of interaction forces decrease first and then grow with an increase of the blade tip velocity, and the blade tip velocity of 150 m/s becomes the cut-off point between abrasive wear and pattern wear.     

镍基耐高温自润滑刷式封严涂层研究

为满足先进航空发动机刷式封严对涂层材料自润滑耐磨性能的要求,采用等离子喷涂技术制备了NiCoCrAlY-Cr_2O_3和NiCoCrAlY-Cr_2O_3-AgMo两种复合涂层;采用扫描电子显微镜、X射线衍射、拉曼光谱和高温摩擦磨损试验等分析测试手段研究了涂层的物相组成、微观结构、力学性能以及摩擦磨损性能。结果表明:研制的两种新型涂层具有较低的孔隙率、较高的显微硬度和结合强度,从20℃到800℃的磨损量都在10~(-5)mm~3·N~(-1)·m~(-1)数量级,显示出优异的耐磨性能;NiCoCrAlY-Cr_2O_3涂层在摩擦系数随着温度的升高而降低,在800℃达到最低值0.3;NiCoCrAlY-Cr_2O_3-AgMo涂层从400~800℃的摩擦系数一直保持在0.23左右。对其摩擦机理的研究表明:400℃时涂层与高温合金GH4145对磨件之间形成连续的含Ag润滑膜,600℃以上时摩擦表面生成的Ag_2MoO_4自润滑相显著降低了涂层的摩擦和磨损。     

涡轮泵零组件的冲蚀分析

运用光学显微镜和电子显微镜的实验手段,研究了某火箭发动机涡轮泵零组件表面麻坑的各种动态特征和非金属零件局部缺损及变形的特点。用俄歇表层和红外光谱分析弄清了零件表面污染层成分和结构。得出了金属材料表面的麻坑和非金属材料的局部缺损与变形破坏的性质均属高速流动的固体微粒和气泡溃灭所产生的一种撞击冲蚀缺陷,其破坏机理以机械磨损为主。从零件表面污染层成分与结构来看,冲蚀破坏时有动能转换为热能的迹象。     

两种不同成分NiAl涂层性能的对比研究

采用双丝电弧喷涂在6061-T6铝合金基底上制备NiAl-95/05和NiAl-80/20涂层,利用标准测试方法测量涂层的机械性能,并提出了NiAl涂层摩擦磨损机理的新理论。结果表明：NiAl-80/20涂层具有较高的结合强度和显微硬度。随磨损进行,NiAl-80/20涂层的静摩擦系数随磨损的继续一直单调下降,直至最后进入稳态阶段;NiAl-95/05涂层的静摩擦系数先缓慢下降,200个循环之后由于磨损形貌的进一步恶化,静摩擦系数呈缓慢上升的趋势。NiAl-95/05涂层的磨损机制主要为磨粒磨损,并且在磨损过程中伴随有犁削效应;NiAl-80/20涂层主要为粘着磨损机制,并且具有更好的耐磨性。     

金属材料激光表面改性与高性能金属零件激光快速成形技术研究进展

 简要报道本实验室目前在先进航空金属材料激光表面改性及高性能金属零件激光快速成形技术研究与应用的新进展。主要内容包括 :(1 )钛合金耐磨阻燃激光表面合金化与激光熔覆表面改性技术;(2 )刷式密封及指尖密封跑道高温自润滑耐磨涂层新材料及其激光熔覆制备新技术;(3 )难熔金属硅化物复合材料高温耐磨耐蚀多功能涂层新材料及激光熔覆涂层技术;(4 )高性能 /梯度性能钛合金及高温合金结构件激光快速成形技术。     

Coating deposition regularity depended on orientation difference in PS-PVD plasma jet

The YSZ coatings are prepared by the plasma spray-physical vapor deposition (PS-PVD) technology based on a specific experimental design. The structure, thickness and growth angle of YSZ coatings on the entire circumferential surface of the cylindrical sample are studied. The results indicated that the structure, thickness and deflection growth angle of YSZ coatings are related to the orientation of deposition location. The numerical simulation of the multiphase mixed fluid near the substrate is carried out and the deposition regularity and mechanism of YSZ coatings prepared by PS-PVD is deduced. The growth rate is related to the local characteristics of the plasma flow field, and is directly proportional to the field pressure and inversely proportional to the field velocity. The growth angle of the coating is generally affected by the flow direction of the plasma jet. Especially, the normal component of velocity vector, V_norm, mainly affects the speed at which the coating grows vertically upwards. The tangential component of velocity vector, V_tan, determines the degree that the coating growth direction deviates from the vertical direction. When V_tan ≠ 0, the coating forms a fine column with a certain deflection angle and finally develops into an oblique columnar structure.