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。     

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.     

航空发动机热障涂层材料体系的研究

 介绍了热障涂层的结构、陶瓷表层材料和中间粘结层的材料发展趋势。热障涂层的结构已由经典的双层结构向成分、结构连续变化的梯度结构发展,涂层的寿命有明显的提高。制备方法中电子束物理气相沉积技术具有明显优势。热障涂层表层材料的最佳成分是(质量百分数6%～8%)Y2O3部分稳定的ZrO2陶瓷材料。粘结层体系发展的一个重要趋势是能同时保证力学性能和抗氧化性能的低Al含量NiCoCrAlY。     

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。     

多尺度模拟计算方法在超高温高熵陶瓷材料中的应用进展

超高温高熵陶瓷材料以难熔金属碳化物、硼化物、氮化物等为组元,具有较高的硬度、高温强度以及良好的热稳定性,已成为超高温陶瓷领域研究的热点方向之一。与传统材料相比,超高温高熵陶瓷涉及复杂成分空间、多个尺度维度、极端多场耦合服役环境,采用传统经验试错法开发超高温高熵陶瓷效率过低,故而需要改变材料研究范式,依靠多尺度模拟计算方法提高超高温高熵陶瓷研发与应用效率。本文首先简要介绍了具有代表性的多尺度材料计算方法,进而综述了多尺度材料计算方法在超高温高熵陶瓷研究中的典型应用成果,最后对多尺度材料计算方法在超高温高熵陶瓷研究中的前景进行了展望。     

“热障涂层”专题序言

正热障涂层,简称TBCs,是将耐高温、低导热、抗腐蚀的陶瓷材料以涂层的方式涂覆在合金表面、以降低高温服役环境下合金表面温度的一种热防护技术。热障涂层应用于燃气发动机涡轮叶片,可以显著提高发动机的工作效率和推力,同时可降低叶片合金的工作温度,从而大幅度提高发动机的寿命和可靠性,是先进航空发动机不可缺少的一项关键技术。有关热障涂层材料、制备科学以及表征等方面的研究一直是国际上表面与界面科学领域的研究热点,受到材料、物理、化学、力学、传热学等多领域科学家的高度关注。自20世纪90年代开始,美     

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。     

热障涂层在线/离线磷光温度测量技术研究进展

精确测量涡轮叶片表面热障涂层温度对航空发动机和地面燃气轮机设计和研制具有极其重要的意义。近年来,基于热像磷光材料磷光特性的热障传感涂层在线测温技术与热历史磷光涂层离线测温技术得到了迅猛发展。前者通过在线测量高温下磷光信号来获取实时温度信息,后者通过离线测量经高温服役后的磷光材料不可逆磷光信号变化来获取服役温度信息。这两项技术都适用于高温、高腐蚀环境下热障涂层非干涉、非接触式和高精度温度测量,具有广阔的应用前景。从热障涂层在线/离线测温原理与方法、磷光材料与制备及应用3个方面详细介绍了热障涂层在线/离线测温技术的研究现状与技术特点,并对这两种技术的发展进行了展望。     

先进材料在战斗机发动机上的应用与研究趋势

美国、英国等国家特别重视战斗机发动机材料的发展,通过制订和实施一系列先进材料研究计划,开发和验证轻质高强度材料,为发动机研制提供技术保障.综述各国现役、在研和预研战斗机发动机的材料应用情况,总结树脂基复合材料、钛基复合材料、钛铝金属间化合物、单晶高温合金、粉末高温合金、陶瓷基复合材料、陶瓷热障涂层等材料及其工艺应用趋势.先进材料研究的发展趋势:①向低密度高强度发展,以减轻质量;②向高强度与高耐温能力发展,以提高涡轮进口温度;③向一体化(材料、工艺与结构设计)发展,以实现材料特性与结构的最优组合.     

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。     

新型轻质隔热、透波Al-B-O 陶瓷的研究进展

Al5BO9、Al4B2O9等Al-B-O体系硼莫来石陶瓷具有低密度、低热导率、宽带隙等优异性能,在飞行器的隔热、透波、热密封等领域具有广泛的应用前景。本文系统介绍了这类新材料的结构、性能和制备方法。在理论计算方面,介绍了基于密度泛函理论的第一性原理计算对Al-B-O体系材料晶体结构、力学和热学性能的预测;实验方面,总结了固相反应、熔盐法、溶胶-凝胶法、热分解法和水热法等制备方法和力学、热学等实验结果,并讨论了该体系化合物的应用现状及未来发展方向。     

激光重熔等离子喷涂纳米氧化锆热障涂层组织与性能

采用等离子喷涂纳米氧化锆(ZrO_2-8%Y_2O_3)团聚粉末制备了纳米氧化锆热障涂层,利用连续CO_2激光对其进行重熔处理.以常规热障涂层作为比较对象,研究了纳米氧化锆热障涂层和激光重熔涂层的组织结构、硬度、抗热冲击性能.结果表明:纳米氧化锆热障涂层组织结构为独特的纳米-微米复合结构,主要有柱状晶和未熔融或部分熔融纳米颗粒组成;激光重熔热障涂层的组织结构为表面等轴晶+断面柱状晶.硬度试验和抗热冲击性能试验综合比较结果显示:相对于常规氧化锆热障涂层,纳米氧化锆热障涂层和激光重熔热障涂层拥有更好的性能.因此将纳米技术和激光重熔表面处理技术与等离子喷涂技术结合起来制备热障涂层是提高热障涂层性能的非常有前景的工艺方法.     

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。     

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。     

ZrB2 -SiC 的制备方法和性能研究

由于在极端环境中的优异物理化学性能,ZrB2基超高温陶瓷材料成为未来空天领域最具前途的候选材料之一,尤其是ZrB2-SiC材料近几年更成为研究热点。本文对ZrB2-SiC材料的制备、烧结致密化和力学性能等研究做了综合评述,重点对制备方法与使用性能间的关系进行了相关介绍。     

氮化物基陶瓷高温透波材料的研究进展

氮化物基陶瓷材料具有高强度、高模量、耐高温、抗热震和透波等优异的综合性能,是高温透波构件的主要候选材料,目前应用报道较少,制备工艺和性能有待进一步完善和提高。本文综述了氮化物陶瓷、氮化物复相陶瓷及氮化物陶瓷基复合材料的研究现状,发现多孔氮化硅陶瓷、BN-Si3N4复相陶瓷和BNw/Si3N4复合材料的综合性能较为优异,可达到介电常数低于5,介电损耗低于0.01,室温弯曲强度高于200 MPa的水平。本文分析了氮化物基陶瓷高温透波材料研究的现存问题,主要是力学性能与介电性能难以协同提高;最后对高温透波材料体系的选择及其制备工艺的未来发展方向进行了展望。     

Influence of Gd2O3 and Yb2O3 Co-doping on Phase Stability,Thermo-physical Properties and Sintering of 8YSZ

The role of multicomponent rare earth oxides in phase stability, thermophysical properties and sintering for ZrO2-based thermal barrier coatings (TBCs) materials is investigated. 8YSZ codoped with 3 mol% Gd2O3 and 3 mol% Yb2O3 (GYb-YSZ) powders are synthesized by solid state reaction for 24 h at various temperatures. As temperature increases, stabilizers are dissolved into zirconia matrix gradually. Synthesized at 1 500 °C, GYb-YSZ is basically composed of cubic phase. GYb-YSZ exhibits excellent phase stability and sinters lower than 8YSZ by nearly three times. The thermal conductivity of GYb-YSZ is much lower than that of 8YSZ, and the thermal expansion coefficient of GYb-YSZ is comparable to that of 8YSZ. The influence of Gd2O3 and Yb2O3 co-doping on phase stability, thermal conductivity and sintering of 8YSZ is discussed.     

长寿命热障涂层的剥落机理及抗剥落结构设计

涂覆于高温合金热端部件表面的热障涂层,具有隔热防护作用,属新一代燃气轮机的关键核心技术。等离子喷涂制备的热障涂层隔热性能好,但长时间高温服役后存在开裂剥落问题,引发基体烧蚀、造成巨大经济损失。因此,发展长寿命热障涂层是该技术领域的重大难题。本文从等离子喷涂热障涂层的独特层状结构特征入手,阐述涂层在高温服役中结构和性能的演变规律,揭示涂层剥落失效机理,总结长寿命热障涂层设计方法。研究表明,等离子喷涂热障涂层呈现以连通2D孔隙为主的层状多孔结构,具有优异的隔热功能和协调应变能力。然而,涂层在高温服役中发生烧结,2D孔隙大量消失,涂层显著刚化,使热障涂层开裂驱动力急剧增加,引发微观裂纹扩展并贯通形成大尺度裂纹,导致涂层最终剥落失效。据此,分别从降低开裂驱动力和增加开裂阻力两方面着手,总结抗开裂新结构涂层设计方法,为研发长寿命热障涂层指明了发展方向。在未来研究中,如何保证涂层高隔热和长寿命并同时兼顾经济性,是发展新一代高性能热障涂层的重点方向。     

航空发动机用热障涂层的发展

介绍了航空发动机用热障涂层的组成和性能，讨论了热障涂层的等离子喷涂和电子束蒸发物理气相沉积工艺、寿命预测模型及不断扩大的应用范围。