等离子物理气相沉积热障涂层研究进展

等离子物理气相沉积(plasma spray-physical vapor deposition,PS-PVD)是一种最近发展的功能薄膜与涂层制备技术。该技术结合了等离子喷涂(PS)和物理气相沉积(PVD)两种技术的特点,可以实现气、液、固多相的快速共沉积,进行涂层/薄膜微结构的高度柔性加工,并可实现复杂工件遮蔽区域的非视线均匀沉积,在热障涂层、环境障涂层、超硬耐磨涂层、透氧膜和电极膜等领域具有广阔的应用前景,被认为代表了高性能热/环境障涂层制备技术的发展方向。本文综述了PS-PVD的工作原理、技术特点以及近年来国内外在PS-PVD热障涂层制备科学和沉积机理等方面的研究进展,展望了新型高性能热障涂层制备技术的研究热点及未来的发展方向。     

不同制备工艺对MoSi2涂层抗氧化性能的影响

为解决MoSi2和SiC线膨胀系数差异,在带有SiC外涂层的C/C复合材料表面采用等离子喷涂、电弧沉积和固渗等工艺制备MoSi2涂层。涂层表面形貌分析发现,等离子喷涂MoSi2涂层多孔不致密,电弧沉积MoSi2涂层易开裂剥落;而固渗MoSi2涂层致密均匀,且界面结合力好。氧化试验也表明,固渗MoSi2涂层性能较好。     

不同界面层体系对SiC_f/SiC复合材料性能的影响

主要研究无界面层、裂解碳和氮化硼3种界面层体系对SiCf/SiC复合材料力学性能的影响:首先,三维四向编织的SiC纤维预制体分别经过无界面层处理、裂解碳界面层制备(CVI工艺)和BN界面层制备(PIP工艺)3种不同工艺处理;以聚碳硅烷为原料,采用PIP工艺制备出3种SiCf/SiC陶瓷基复合材料工艺试验件;对工艺试验件的基本力学性进行研究,评价不同纤维预制体处理工艺对材料性能的影响。研究结果表明,无涂层复合材料样品的弯曲强度最高;具有PyC涂层复合材料的弯曲强度略有下降,但断裂韧性较高;具有BN界面层的复合材料弯曲强度和断裂韧性均出现了较大程度的降低。3个样品力学性能的差别主要与纤维/界面层/基体之间作用力有关。本研究结果可以用于SiCf/SiC复合材料构件制造工作中,为制造工艺的初步筛选提供参考依据。     

激光重熔WC复合陶瓷涂层组织及耐腐蚀性能

在45号钢表面,制备了WC/Co-NiCrAl等离子喷涂涂层(TC-1)和WC/Co-NiCrAl/laser-remelting激光直接重熔等离子喷涂陶瓷涂层(TC-2)。以纳米SiC粉末为填料,对等离子喷涂层TC-1进行了填料下的激光重熔,制备了纳米SiC改性的WC/Co-NiCrAl/nano-SiC复合陶瓷涂层(TC-3)。采用X射线衍射、扫描电镜对三种涂层微观组织进行了分析,同时对陶瓷涂层的耐腐蚀性能进行了研究。结果表明,TC-1涂层由WC,W2C,W6C2.54,W,Co,CoO组成;TC-2重熔涂层由WC,W2C,CoO及W组成;纳米改性后的重熔涂层TC-3由SiC,Si2W,WC,W及CoO组成。在激光作用下,原等离子喷涂层WC/Co的片层状组织得以消除。与TC-1涂层相比,TC-2及TC-3陶瓷涂层致密化程度明显提高,涂层耐腐蚀性能也得到了明显的改善。     

浆料-烧结法制备ZrB2-SiC-B4C涂层及性能研究

通过浆料刷涂-烧结法在Cf/SiC复合材料表面制备了ZrB2-SiC-B4C超高温陶瓷涂层,研究了浆料中粉末填料、稀释剂的质量分数及高温烧结温度对涂层形貌、成分和相组成的影响。结果表明:当粉末填料与树脂质量比为1∶1、稀释剂与树脂质量比为1∶2、高温烧结温度为1 500℃时,在Cf/SiC表面可形成致密、结合力强的ZrB2-SiC-B4C涂层。涂层内部相组织均匀,Ra1μm,孔隙率约为4. 2%,平均拉伸剪切强度约为5. 4MPa。1 500℃等温氧化30 h后,有涂层Cf/SiC复合材料的失重率约为10. 7%,涂层表面形成了完整的含有ZrO2-SiO2的复合氧化膜,为基体提供了有效的氧化防护。这说明Cf/SiC复合材料表面涂覆ZrB2-SiC-B4C涂层有望满足高温燃流环境的使用要求。     

航空发动机用环境障涂层的发展

碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料（CMC-SiCf/SiC）具有低密度、耐高温、高比强度等优点,是下一代高推重比航空发动机热端部件的主要候选材料之一。然而,该材料在燃气环境中面临严重的腐蚀问题。因此,需要在材料表面涂覆环境障涂层进行防护。本文综述了环境障涂层的选材要求、材料发展阶段、涂层制备技术、涂层考核与失效等,指出了环境障涂层今后在选材、制备、考核与评价的发展方向。     

纤维表面PIP-SiC涂层对2D-SiC_f/SiC复合材料力学性能影响

采用低浓度先驱体溶液利用先驱体浸渍裂解(PIP)工艺在SiC纤维表面制备了SiC涂层,研究了浸渍裂解次数对纤维涂层形貌的影响.研究表明,采用10%的PCS先驱体溶液经3次浸渍裂解后可在纤维表面制得连续致密的SiC涂层.采用经涂层处理的SiC纤维布经热模压成型-先驱体浸渍裂解工艺制备了2D-SiCf/SiC复合材料,其弯曲强度随制备涂层浸渍裂解次数的增加先增后降,经3次浸渍裂解制备涂层的复合材料强度最高,由未经涂层处理的163.5MPa增大到245.9MPa,强度提高近50%.研究证明,SiC纤维表面SiC涂层使纤维在材料致密化过程所受的损伤减小,同时改善了界面,使复合材料强度明显提高.     

纤维C涂层对SiC_f/Ti6Al4V界面及拉伸性能的影响

通过对SiC纤维增强Ti6Al4V复合材料的拉伸试件断口与界面观察,研究了SiC纤维C涂层对基体与纤维元素扩散、界面反应层厚度与成分、拉伸断口的影响。结果表明,与纤维无C涂层的SiCf/Ti6Al4V相比较,有纤维C涂层的SiCf/Ti6Al4V界面结合强度较弱、反应层厚度较厚,涂层能有效防止纤维性能在复合过程中下降,提高了复合材料拉伸强度。     

CVD-SiC 涂层的C/ C-SiC 复合材料的抗烧蚀性能

采用CVD法,1 050℃在三维针刺C/C-SiC复合材料表面制备SiC涂层,研究稀释气体与载气流量比分别为4∶1和2∶1制备条件下涂层的晶体结构、表面和断面的微观形貌,对比了涂层前后C/C-SiC复合材料的抗烧蚀性能.结果表明:稀释气体流量降低其制备的SiC涂层更加平整致密,与基体结合程度更好,沉积产物均为单一的β-SiC结晶相.在600 s的氧化烧蚀下,两种流量比条件下制备CVD-SiC涂层的C/C-SiC复合材料的线烧蚀率比未涂层的分别降低34％和50％,质量烧蚀率分别降低70％和75％,抗氧化烧蚀性能明显提高.     

防止 C/C 复合材料氧化的 MoSi2/SiC 双相涂层系统的研究

 由固相扩散-浸渗处理制备了防止碳/碳复合材料氧化的MoSi2/SiC双相涂层。通过对涂层的结构、成份以及氧化机理的研究表明，MoSi2/SiC双相涂层由内层为β-SiC和外层为MoSi2/SiC双相层构成，具有优异的高温抗氧化性能。     

Microstructure and high-temperature oxidation behavior of plasma-sprayed Si/Yb2SiO5 environmental barrier coatings

An environmental barrier coating (EBC) consisting of a silicon bond coat and an Yb₂SiO₅ top-coat was sprayed on a carbon fibers reinforced SiC ceramic matrix composite (CMC) by atmospheric plasma spray (APS). The microstructure of the coating annealed at 1300 °C and its high-temperature oxidation behavior at 1350 °C were investigated. The significant mass loss of silica during the plasma spray process led to the formation of Yb₂SiO₅ and Yb₂O₃ binary phases in the top-coat. Eutectics of Yb₂SiO₅ and Yb₂O₃ were precipitated in the top-coat, and channel cracks were formed in the top-coat after 20 h annealing because of the mismatch between the coefficients of thermal expansion (CTEs) of Yb₂SiO₅ and the SiC substrate. The EBC effectively improved the oxidation resistance of the CMC substrate. The channel cracks in the Yb₂SiO₅ top-coat provided inward diffusion channels for oxygen and led to the formation of oxidation delamination cracks in the bond coat, finally resulting in spallation failure of the coating after 80 h oxidation.     

梯度热障涂层的设计

 采用电子束物理气相沉积方法 (EB PVD)制备了梯度热障涂层,其结构设计为NiCoCrAlY粘结层 /Al₂O₃ YSZ过渡层 /YSZ陶瓷层。YSZ陶瓷层的结构为柱状晶结构,Al₂O₃ YSZ梯度过渡层为梯度微孔结构。采用有限元方法对梯度热障涂层进行热应力分析,优化了Al₂O₃ YSZ梯度过渡层的组成。计算结果表明,梯度涂层的内应力显著降低,而且界面及其附近应力和应变变化较平缓。过渡层厚度的增加有利于降低涂层内应力和缓和涂层界面处的应力集中。     

平纹编织C/SiC复合材料在室温和高温环境下的拉伸行为

通过单向拉伸试验,对比研究平纹编织C/SiC陶瓷基复合材料在室温和高温(1300℃,包括惰性气氛和湿氧气氛)环境下的宏观力学特性,并采用光学显微镜和扫描电镜对试件断口进行显微观察,分析其损伤模式和破坏机理。结果表明:C/SiC复合材料的室温和高温拉伸行为通常表现为非线性特征,在低应力时就开始出现损伤;纤维与基体之间界面滑行阻力的降低使C/SiC复合材料在高温惰性气氛环境下的拉伸强度和破坏应变均比室温下的高;碳纤维的氧化严重影响材料的承载能力导致高温湿氧环境下的拉伸强度和破坏应变均比室温下的低;C/SiC复合材料室温和高温下的拉伸均呈现韧性断裂,断口较为相似,只是纤维拔出长度和断口的平齐程度有所不同,其中高温惰性气氛环境下纤维拔出最长,高温湿氧环境下试件断口有明显的被氧化痕迹;0°纤维束表面基体开裂、明显的层间分层以及0°纤维和纤维束的拔出和断裂同时携带90°纤维束拔出是C/SiC复合材料在室温和高温下的拉伸破坏机理。     

Al/SiC复合材料的准分子激光表面改性

利用KrF准分子激光对SiC晶须增强铝基复合材料进行表面改性。借助于显微镜及X射线衍射技术,对激光处理前后试件表层的显微组织及化学结构进行了分析。结果表明,准分子激光处理后,试件表面形成了一个几微米厚的铝层。该薄层中基本上不含金属间化合物,SiC增强相的数量也显着减少。腐蚀测试结果表明,准分子激光表面处理后,材料的抗腐蚀性能得到了显着提高。     

热障涂层的制备及热震性能

采用电火花沉积+微弧氧化的方法在GH4169合金表面制备ZrO_2/NiCrAlY涂层,制备过程为:采用电火花沉积技术在GH4169基体表面先沉积厚度为250μm的NiCrAlY涂层,再沉积厚度为150μm的Zr涂层,最后通过微弧氧化的方法将Zr涂层氧化成ZrO_2涂层,从而得到ZrO_2/NiCrAlY涂层。采用Qauta 200F型场发射扫描电镜观察涂层的显微组织和形貌,研究ZrO_2/NiCrAlY涂层在不同温度下的热震性能,结果表明:当热震温度分别为750℃,850℃,950℃时,热震失效次数分别为51次、32次和19次,涂层的热震性能良好。     

2D-C_f/SiC复合材料蠕变断裂及损伤机理研究

研究了2D-C_f/Si C复合材料在空气中,温度分别为700℃和900℃,蠕变应力分别为50MPa、75MPa和100MPa条件下的蠕变断裂及损伤机理。运用拉森-米勒参数法拟合材料的蠕变断裂时间,使用扫描电子显微镜分析其微观组织和断口形貌以进一步揭示其蠕变断裂机理。结果表明:2D-C_f/Si C复合材料的蠕变断裂寿命与温度和应力密切相关,较高温度或应力会降低材料的蠕变断裂寿命;在蠕变过程中,材料除发生应力损伤外,还会发生氧化损伤;2D-C_f/Si C复合材料的氧化损伤比应力损伤对蠕变断裂时间有更显著的影响。     

Investigation on a Sol-gel Coating Containing Inhibitors on 2024-T3 Aluminum Alloy

For a long time, chromate incorporated conversion coatings have been drawn special attention in corrosion protection of air-craft-used aluminum alloys. However,ever-increasing environmental pressures requires that non-chromate conversion coatings be developed because of the detrimental carcinogenic effects of the chromate compounds. In recent years, the sol-gel coatings doped with inhibitors were developed to replace chromate conversion coatings, and showed real promise. A sol-gel coating was prepared and its anti-corrosion behavior was investigated using the potentiodynamic scanning (PDS) and the electrochemical impedance spectroscopy (EIS). It is found that the sol-gel coating obtained by the hydrolysis and condensation of 3-glycidoxypropyltrimethoxysilane (GPTMS) and tetramethoxysilane (TMOS) is prone to form defects if cured at the room temperature, whereas if cured at a higher temperature (100 ℃), these flaws can be avoided. Furthermore, it can be seen that addition of anti-foam agents and surfactants will reduce the faults if cured at the room temperature. Effects of the corrosion inhibitors, CeCl3 and mercaptobenzothiazole (MBT), in the sol-gel coatings on 2024-T3 aluminum alloy were also investigated. Results show that the corrosion resistance of the sol-gel coatings containing CeCl3 proves to be better than that of the pure and MBT added sol-gel coatings by the electrochemical methods.     

两种MCrAlY涂层/DD6合金的循环氧化和互扩散行为

在DD6单晶高温合金基体上,利用电子束物理气相沉积(EB-PVD)技术制备Ni Co Cr Al Y涂层,采用低压等离子喷涂(LPPS)技术制备Ni Co Cr Al YHf Si涂层,通过扫描电镜(SEM)、X射线能谱(EDS)、X射线衍射(XRD)、电子探针显微分析(EPMA)等手段研究了在1100℃下的热循环氧化和互扩散行为。结果表明,涂层显著提高了DD6基体的抗氧化能力,经100h的循环氧化后,涂层表面氧化层主要成分仍为α-Al2O3,依然发挥着较好的抗氧化保护作用。这两种涂层与基体之间形成了互扩散区(IDZ)和二次反应区(SRZ),IDZ和SRZ的厚度均随着循环氧化时间延长而增大;SRZ中析出的棒状与颗粒状的拓扑密堆相(TCP)含有W、Re、Mo等高熔点元素,其质量分数分别高达37.51%、14.22%和10.61%,TCP含量随着氧化时间而增多。活性元素Si、Hf对涂层中富Cr相和TGO的增长速率均有一定的抑制作用。     

Effects of Shot Peening Process on Thermal Cycling Lifetime of TBCs Prepared by EB-PVD

Conventional two-layered thermal barrier coatings (TBCs) are prepared by electron beam physical vapor deposition (EB-PVD) with ZrO2-8 wt% Y2O3 (8YSZ) as top coat and CoCrAlY as bond coat on disk-shaped Ni based super-alloy. In this paper, three kinds of shot peening process with different lengths of operating time were adopted for bond coating. As a result, changes took place in its sur- face roughness and the surface micro-hardness. A thermal cycling test at 1 273 K×55 min and another at room temperature for 5 min were performed to study the effects of shot peening process on the thermal cycling lifetime of TBCs. It is found that a moderate shot peening process will be able to prolong the life time. The oxidation dynamic of the as-processed TBCs basically accords with the para- bolic rule, and the oxidation test also attests to the spallation between YSZ and thermal growth oxide (TGO) responsible mainly for the failure of TBCs.