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。     

二硅化钼改性硅酸镱环境障涂层体系抗热震行为及机理

稀土硅酸盐环境障涂层(EBCs)是应用于新一代高推重比航空发动机热端部件的重要材料，但在服役过程中，稀土硅酸盐面层易产生纵向裂纹，为腐蚀性介质进入EBCs体系内部提供通道，使硅黏结层发生氧化并产生裂纹，最终导致EBCs失效。二硅化钼(MoSi₂)具有优异的高温性能，有望改善稀土硅酸盐EBCs体系的高温稳定性。本工作采用MoSi₂改性Yb₂SiO₅面层，通过真空等离子喷涂技术(VPS)分别制备了以Yb₂SiO₅、 Yb₂SiO₅-5%MoSi₂(体积分数，下同)和Yb₂SiO₅-10%MoSi₂作为面层，以Yb₂Si2O₇作为中间层，以Si作为黏结层的三种环境障涂层体系，利用场发射扫描电子显微镜表征了涂层在1350℃热震前后的形貌变化。结果表明：掺杂MoSi₂不仅...     

高温热暴露对Al2O3/Al2O3陶瓷基复合材料性能影响

研究1000～1200℃高温热暴露对多孔基体Al₂O₃/Al₂O₃陶瓷基复合材料性能的影响，结果表明：1000℃热暴露100 h对复合材料拉伸强度无影响，1100℃热暴露100 h后拉伸强度略有降低，1200℃热暴露100 h后拉伸强度明显降低。进一步研究1200℃不同热暴露时长对Al₂O₃/Al₂O₃复合材料、氧化铝纤维及氧化铝基体性能的影响，并采用光学显微镜、SEM对试样的微观形貌进行表征。结果表明：1200℃热暴露100 h对氧化铝纤维的性能影响较小，但对氧化铝基体的影响较大，1200℃热暴露仅10 h后，氧化铝基体的孔隙率明显降低，密度明显增加；从基体断口的SEM形貌可以看出，随着1200℃热暴露时间的增加，氧化铝基体中的晶粒尺寸逐渐增大，基体发生进一步的烧结，相应地，从Al₂O₃/Al₂O₃复合材料的断口形貌可以看出...     

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。     

层级孔喷涂粉末构筑及新一代长寿命热障涂层材料的研究进展

广泛应用于航空发动机和地面燃气轮机中的热障涂层具有低热导率和良好的耐温性能，能够降低涡轮叶片表面温度，使高温结构件能在高于其熔点的环境中长时间高效率的服役。热障涂层的性能和寿命受到陶瓷层材料与其结构的直接影响，采用可控原料粉末对陶瓷涂层进行微观结构调节的方法可以减少涂层中的应变-应力失配，具有操作灵活、效果显著、调控范围广等优势。针对传统热障涂层应变容限低，抗热震性能不足等问题，本团队开发了静电喷雾技术结合相分离原理（ESP）制备新型热喷涂微球粉末的造粒理论和实现方法，实现了对粉末形貌结构的精确构筑，可用于制备核壳、均质和层级孔等全体系喷涂微球粉末。与传统的喷涂粉末相比，其中层级孔微球粉末（由特殊的纳米-微米层级跨尺度孔构成）呈现耐烧结、低热导率、高比强度及95%以上的高温波段反射率特点。使用层级孔微球粉末喷涂的热障涂层由于层级孔特征结构的保留，展现出优异的力学性能和隔热性能，热循环寿命提升2倍以上，热导率下降50%以上，且在服役过程中体现出良好的抗烧结性能。ESP造粒技术为新型热障涂层材料从材料设计到工程应用提供了一种快速的涂层性能调控方法，现已成功应用于稀土锆酸盐、稀土钽酸盐和稀土...     

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。     

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。     

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。     

热障涂层用La2Zr2O7粉末研究进展

介绍了La2Zr2O7的结构及作为热障涂层材料的热力学性能;综述了国内外制备La2Zr2O7粉末的方法及其工艺对产物性能的影响;论述了La2Zr2O7用作热障涂层的优缺点和有待解决的问题.     

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。     

TiC-TiB2复合相钛基稀土激光熔覆层组织与性能

采用通快同轴送粉4002光纤激光器,在TC4表面熔覆制备了不同含量Y₂O₃的TC4+Ni45+Co-WC+Y₂O₃钛基复合耐磨涂层。采用XRD、SEM、EDS、EPMA测试研究了涂层微观组织,利用显微硬度计、摩擦磨损实验机和白光轮廓仪分析评价了涂层的显微硬度和摩擦学性能。结果表明,涂层生成相不随Y₂O₃含量变化而改变,主要包括Ti₂Ni、TiC、TiB₂以及α-Ti;未添加Y₂O₃涂层,生成相尺寸粗大,方向性明显;随着Y₂O₃的加入,涂层组织逐步细化,生成相方向性减弱;当Y₂O₃为3wt%时,涂层析出相以颗粒和短棒状相为主,合成了大量TiC-TiB₂依附生长复合相,经二维点阵错配度计算,TiB₂（0001）与TiC （111）错配度δ为0.912%,TiC与TiB₂形成了共格界面,可有效增加涂层组织分布均匀性;Y₂O₃含量为0wt%、1wt%和3wt%时,涂层显微硬度逐渐减小,磨损体积先增大后减小,摩擦系数逐渐降低;在TiC-TiB₂复合相的作用下,3wt% Y₂O₃涂层的耐磨、减摩性最优,涂层磨损机理为磨粒磨损。     

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。     

ZrO2基热障涂层陶瓷材料研究进展

由于ZrO2基陶瓷材料在热障涂层上的广泛应用,本文综述了氧化物(一元、二元、多元)稳定ZrO2、MZrO3化合物及Ln2Zr2O7化合物的研究情况。结果指出氧化物稳定ZrO2在热障涂层上的应用空间已十分有限,随着航空发动机技术的发展,化学式为A32 B24 O7焦绿石结构的陶瓷材料有望替代YSZ,根据声子导热理论和晶体化学原理,用稀土元素离子对A32 B24 O7型陶瓷材料进行掺杂进一步降低其热导率,将为热障涂层技术应用开辟广阔的空间。该机理对MZrO3同样适用。     

CrON扩散阻挡层对NbCrAl涂层与Nb基高温合金元素互扩散的影响

利用磁控溅射技术在C103型Nb基高温合金上制备了含和不含CrON扩散阻挡层的NbCrAl涂层,对比研究了2种涂层分别经900℃和1000℃真空热处理后的元素扩散行为。结果表明:NbCrAl涂层以Cr₂Nb和AlNb₂相为主,含非晶态组织;真空热处理后生成了NbAl₃和(Nb,Cr)沉淀相。热处理温度由900℃升至1000℃时,NbCrAl涂层中元素扩散速度加快。不含扩散阻挡层样品中Cr和Al元素扩散至基体的含量分别为2.76wt%和1.21wt%,而含扩散阻挡层样品中Cr和Al元素扩散到基体的含量分别仅为2.52wt%和0.84wt%。扩散阻挡层保持连续,且与涂层及基体的界面结合良好,经高温处理后主要以密排六方结构的Cr₂O₃和Al₂O₃相为主,有效地抑制了元素互扩散。     

钛基稀土激光熔覆层组织细化机制及性能

采用通快TruDisk 4002光纤激光器在TC4合金表面分别制备了0wt% Y₂O₃和3wt% Y₂O₃的TC4+Ni45+Co-WC钛基耐磨复合涂层。利用XRD、SEM、EDS、EPMA、显微硬度计和摩擦磨损试验机等分析了涂层组织、显微硬度和摩擦学性能。结果表明，两种涂层表面均无裂纹孔隙等缺陷，且生成相一致，主要包括TiC、TiB₂、Ti₂Ni、WC和α-Ti；0wt% Y₂O₃涂层组织存在明显偏析，析出相尺寸粗大且方向性明显；3wt% Y₂O₃涂层组织呈均匀弥散状态分布，细化特征明显；经Bramfitt二维点阵错配度计算，（100）_Y2O3和（100）_Ti2Ni、（111）_Y2O3和（110）_TiC、（110）_Y2O3和（1010）_TiB2间的错配度分别为5.75%、6.72%和10.10%，Y₂O₃作为异质形核核心对Ti₂Ni、TiC和TiB₂的细化能力依次为Ti₂Ni > TiC > TiB₂；0wt% Y₂O₃和3wt% Y₂O₃涂层显微硬度分别为600~630 HV_0.5和470~480 HV_0.5，较基材分别提高了约62%和26%；3wt% Y₂O₃涂层耐磨减摩性最优，其磨损体积和摩擦系数较0wt% Y₂O₃涂层分别下降了约47.8%和5.0%，磨损机制主要为磨粒磨损。     

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.     

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。     

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。     

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.