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。     

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。     

航空发动机和工业燃气轮机热喷涂热障涂层用金属黏结层:回顾与展望

超音速火焰喷涂制作的金属黏结层加料浆喷涂制作的柱状晶结构陶瓷隔热层被视作新一代航空发动机和燃气轮机用热喷涂热障涂层,其中采用的MCrAlY金属黏结层正朝着长寿命、低成本、适用于新燃料的方向发展。本文综述近年来航空发动机和燃气轮机热端部件热障涂层用MCrAlY金属黏结层研究进展,并对涂层的结构设计与成分设计进行探讨。     

电子束物理气相沉积热障涂层的研究

７０年代以来，陶瓷热障涂层技术被广泛用于保护航空发动机的热端部件。热障涂层具有减少热流、降低热端部件工作温度（或提高发动机工作温度）、防止腐蚀和磨损、提高效率、节约燃料、延长零件工作寿命的功能。采用电子束物理气相沉积制备的热障涂层具有更高的抗氧化腐蚀剥落能力、界面结合力及热循环寿命。     

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。     

新型热障涂层陶瓷隔热层材料

热障涂层(thermal barrier coatings,TBCs)是先进燃气涡轮发动机核心热端部件高压涡轮叶片的关键技术,已经在航空发动机和地面燃气轮机上获得成功应用的热障涂层陶瓷隔热层材料为氧化钇部分稳定氧化锆(YSZ)。由于受高温稳定性、隔热性能等的局限,YSZ已不能满足下一代航空发动机的发展要求。本文介绍了近年来国内外在多元氧化物掺杂氧化锆、A_2B_2O_7型烧绿石或萤石化合物、磁铅石型六铝酸盐化合物、石榴石型化合物、钙钛矿结构化合物和其他新型氧化物陶瓷等先进超高温热障涂层陶瓷材料方面的研究进展,并展望了今后超高温热障涂层陶瓷材料所面临的挑战和发展动向。     

电子束物理气相沉积热障涂层抗氧化行为研究

电子束物理气相沉积热障涂层技术是一项用于保护航空发动机热端部件的关键技术。热障涂层除了要完成降低热端部件工作温度（或提高发动机工作温度）的任务之外，另一项主要任务就是防止高温腐蚀。本文通过理论分析和实验证实，在以ＺｒＯ２为基的隔热层中，由于粘结层氧化所需氧量极少，其氧气分压与环境中的氧分压几乎一样，因此热障涂层系统中粘结层的高温氧化与陶瓷层厚度基本无关。同时还系统地分析了粘结层合金的选择、不同合金元素的作用及其对抗高温氧化性能的影响。     

热障涂层在CMAS环境下的失效与防护

随着航空发动机工作温度的提升,一种主要化学成分为CaO-MgO-Al_2O_3-SiO_2(简称CMAS)的环境沉积物对发动机叶片热障涂层(thermal barrier coatings,TBCs)的危害越来越严重,一方面导致叶片表面气膜冷却孔堵塞,降低冷效,改变叶片温度场和应力场;另一方面,引起叶片TBCs服役寿命大幅度下降。如何解决叶片TBCs表面CMAS吸附和渗透的问题对于高性能航空发动机的研制非常关键,也是目前TBCs研究领域的难点。本文重点阐述了TBCs在CMAS环境下的热化学、密实、相变等失效机理,并简述了国际上目前一些如涂层组织结构优化、添加阻渗层和牺牲层等解决CMAS问题的方法。     

柱状晶结构热障涂层的沉积生长和织构研究

等离子体–物理气相沉积(PS–PVD)技术融合了等离子体喷涂(PS)和电子束–物理气相沉积(EB–PVD)的优点,沉积效率高、成本相对较低和可制备柱状晶结构涂层。因此,PS–PVD在制备先进发动机热障涂层(TBCs)上备受关注。利用PS–PVD工艺制备了多种结构的氧化钇部分稳定氧化锆(YSZ)TBCs,采用场发射扫描电镜(FE–SEM)和电子背散射衍射(EBSD)观察和分析涂层微结构与晶体织构特征。试验表明:制备的YSZ涂层为柱状晶结构,在同一喷涂距离处,沿喷涂斑点中心向外围过渡区域,柱状晶端面由四棱锥结构向菜花状结构转变,单柱状晶具有一定的晶体取向,但不同的柱状晶具有不同的结晶取向,制备态陶瓷层整体未呈现明显的择优取向和应力集中。     

稀土氧化物改性氧化锆/铂铝热障涂层的制备及其高温性能

针对我国某型航空发动机涡轮叶片用DZ125与DZ406高温合金,开展了稀土氧化物改性氧化锆/铂铝热障涂层体系的制备工艺及涂层高温性能研究。采用电镀Pt和气相渗铝的工艺制备了PtAl金属粘结层,研究了镀Pt前处理、不同镀Pt层厚度以及渗铝温度等关键工艺参数对涂层的微观结构和抗高温氧化性能的影响规律。采用优化后的涂层工艺制备的PtAl粘结层在1150℃时的抗氧化性能优异。采用电子束物理气相沉积（EB–PVD）在PtAl粘结层表面制备了稀土氧化物改性的氧化锆（GYb–YSZ）陶瓷涂层。由GYb–YSZ和Pt Al组成的热障涂层在1050℃热循环4320次（1050℃保温时间720 h）后,涂层表面状态完好,未发现明显剥落现象,表明该热障涂层体系具备良好的热循环性能。     

环境氧化物对EB-PVD热障涂层残余应力的影响

通过建立EB-PVD涂层的柱状晶模型,系统地研究了CMAS沉积和渗透对残余应力的影响。结果表明:CMAS的沉积和渗透产生了很大的面内、面外拉应力,导致垂直、水平裂纹的萌生;随着裂纹扩展,最终涂层发生剥落和分层失效。该失效主要发生在TC层表面下方、CMAS渗透交界处、陶瓷/黏结(TC/BC)界面附近。      

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。     

热障涂层失效行为与寿命预测研究进展

热障涂层是航空发动机热端部件的重要功能材料,其强度与寿命分析技术是热障涂层应用基础研究的重点。涂层的提前失效将使金属基体暴露在高温燃气环境中,加速材料性能的退化,严重影响飞行安全。合理的强度评判标准以及寿命预测模型可以有效减小服役过程中热障涂层失效,提高发动机可靠性。介绍了热障涂层的损伤机理、寿命分析技术的发展现状,展望了航空发动机热障涂层寿命分析技术的发展趋势。     

新一代超高温热障涂层研究

介绍先进燃气涡轮发动机热障涂层的研究背景、意义和现状;综述近年来国内外在新一代超高温热障涂层方面的研究进展,包括新型超高温、高隔热陶瓷隔热层材料,1150℃以上抗高温氧化、与先进单晶高温合金化学匹配的新型金属黏结层材料,长寿命、高可靠性热障涂层结构设计以及先进热障涂层制备技术;分析发动机环境下CMAS沉积物对热障涂层的损伤机理以及相关的CMAS防护方法;最后展望新一代超高温热障涂层的发展动向及研究热点.     

航空发动机涡轮叶片热障涂层应用的关键技术和问题

热障涂层是提高涡轮叶片可靠性和服役寿命的关键技术。从热障涂层的粘结层与涡轮叶片高温合金基体的匹配性、CMAS(一种基于CaO、MgO、Al2O3和Si O2等多种氧化物构成的环境沉积物)形成及其对热障涂层的损伤和相应的防护、叶片热障涂层厚度分布的过程控制、热障涂层制备过程中气膜孔缩孔、热障涂层的在线无损检测及涂层返修以满足涡轮叶片全寿命周期需求等方面论述了航空发动机涡轮叶片热障涂层工程应用技术和需要解决的实际问题。     

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。     

大功率EB-PVD陶瓷热障涂层的研究与应用

陶瓷热障涂层用于涡轮发动机的热端部件可显著提高其使用温度,延长部件的使用寿命,并提高发动机的效率。介绍了制备陶瓷热障涂层的电子束物理气相沉积技术。分析了热障涂层的剥落失效机理,同时对热障涂层的隔热效果的研究也进行了介绍。     

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...     

稀土钽酸盐在热障涂层中的研究与应用

热障涂层(Thermal Barrier Coatings,TBCs)是推进超高速飞行器与先进航空发动机发展的关键技术。目前最常用的热障涂层材料是氧化钇稳定氧化锆(YSZ),但是由于其存在高温相变会产生体积差这一致命缺陷,已不能满足下一代发动机的发展需求。故而,开发新一代热障涂层已势在必行。经试验证明,采用固相法所制备的稀土钽酸盐致密块体具有更加优异的热物理性能和机械性能:极低的高温热导率(1.1～1.3W/(m·K),1000℃),相比YSZ系列热导率值下降了50%;更大的降温梯度(300～500℃);基于高温铁弹增韧机制的良好断裂韧性。此外,稀土钽酸盐作为非氧离子缺陷型热导化合物,是一种氧离子传输的绝缘体,能够有效阻止热氧化物(Thermal Growth Oxidies,TGO)层的生长,大大延长热障涂层的热循环使用寿命,有望成为新一代应用于超高速飞行器和航空发动机的热障涂层材料。     

陶瓷涂层在航空发动机上的应用研究

海军用航空发动机工作环境相当恶劣,其热端部件极易受到腐蚀,在涡轮叶片喷涂陶瓷涂层可以有效解决这一问题。本文通过试验验证的方法,分析了陶瓷涂层的抗高温氧化、抗高温热腐蚀和抗热震性能,以及介绍了陶瓷涂层在航空发动机上的应用及发展前景。