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。     

等离子喷涂LaTi2Al9O19热障涂层的微观组织结构及热物理性能

 第一代热障涂层(TBCs)由氧化钇部分稳定的氧化锆(YSZ)陶瓷隔热层和金属粘结层组成,该涂层长期使用温度低于1 200℃。随着先进航空发动机向着高推重比发展,迫切要求发展新一代超高温、高隔热热障涂层材料。LaTi₂Al₉O₁₉(LTA)在1 500℃长期保持相稳定,是一种非常有前景的超高温热障涂层候选材料。本文采用大气等离子喷涂(APS)制备了LTA涂层,研究了喷涂工艺对涂层微观组织结构和热物理性能的影响。结果表明沉积态涂层中含少量的非晶态,在860℃和1 130℃出现晶化峰。等离子喷涂过程中La₂O₃挥发量较多,导致沉积态涂层中La元素与原始粉末相比含量偏低,而其他组分的化学成分随喷涂功率变化不大。LTA涂层的热扩散系数在1 400℃下为0.3~0.4 mm²·s^-1,热导率为1.1~1.6 W·m^-1·K^-1。1 050℃经过20小时热处理后,得到晶化的涂层在晶化温度范围内的热扩散系数和热导率值均增大。随着喷涂功率减小,涂层孔隙率增加,热导率减小。     

界面形貌对热障涂层残余应力影响的三维有限元分析

采用有限元方法,建立了考虑界面形貌的热障涂层系统三维有限元模型,通过计算从高温冷却到室温时界面处的残余应力的变化,研究了界面形貌对热障涂层系统残余应力的影响。结果表明,氧化层（TGO）厚度不仅会影响残余应力大小,还会影响其应力状态,氧化层越厚,其残余应力水平越高;界面幅值增大会使黏结层（BC）–TGO界面残余应力增大,但其对陶瓷层（TC）–TGO界面处残余应力的影响较为复杂;增大界面波长会在一定程度上减小残余应力水平;三维混合粗糙度对残余应力的影响较小。因此,氧化层厚度、界面幅值和波长会较大程度上影响热障涂层的残余应力,进而影响热障涂层系统的稳定性,且氧化层厚度对涂层失效位置具有决定性意义。     

热障涂层应力与失效机理若干关键问题的研究进展与评述

综述了热障涂层应力数值模拟类研究的现状。在此基础上,总结归纳了数值模拟类研究的三个关键性问题:热生长氧化物、材料非线性特性、涂层应力状态与失效机理的内在联系。分别探讨了热生长氧化物的生成对于涂层系统内部应力以及失效模式的影响;涂层蠕变特性对于涂层系统内应力的缓解机制;对比分析了APS/EB-PVD两种不同制备方法所制备的热障涂层的失效模式,总结归纳了涂层系统应力状态与其失效机理的内在联系。最后,探讨了当前传统8YSZ热障涂层的发展瓶颈,明确了未来热障涂层的发展将落在探索新型低热导率隔热材料、探索合理的热障涂层体系两个方面。着重介绍了新型双陶瓷层热障涂层,总结了双陶瓷层热障涂层几个重要的研究问题。对于研究新型热障涂层的应力状态及其失效行为、优化涂层结构,有限元数值模拟仍是一种重要的研究手段。     

热障涂层二向应力状态分析与危险点预测

热障涂层剥落是航空发动机热端部件失效的主要形式，研究热冲击环境下涂层的失效机制对提升发动机使用寿命具有重要意义。基于二维轴对称有限元模型、二向应力状态分析方法、唯像学和累积损伤理论建立了热障涂层危险点位置预测方法，阐明了热障涂层在热冲击环境下的失效机制。研究表明随氧化层厚度增加，陶瓷层内部轴向应力与剪切应力的峰值点沿余弦曲线的波峰向波谷方向移动；与传统应力分析方法相比，二向应力状态分析法得到的轴向应力与剪切应力峰值位置更加接近，有利于危险位置预测；基于唯象学寿命预测模型与疲劳累积理论相结合的方法，进一步确定出危险点位置在陶瓷层波峰至波谷轴向距离的3/10处，与实际陶瓷层内开裂的位置基本吻合，验证了危险点预测方法的准确性。     

TBC界面裂纹K因子的有限元求解方法

本文针对由陶瓷层和粘结层构成的热障涂层(TBC)双层材料结构,探讨了应用裂纹面位移数据及J积分计算分析陶瓷层/粘结层界面裂纹应力强度因子的有限元方法。考虑了拉伸及热应力两种载荷情况。在传热分析时,考虑了界面裂纹对传热的影响。对于这类双材料界面裂纹,应力强度因子是型和型裂纹复合的,它包括应力强度因子的模和相位角。根据所得的结果比较。      

在高温蠕变环境中的热障涂层失效行为

对电子束物理气相沉积(EB-PVD)制备的由NiCoCrAlY粘结层和YSZ(YttriaStabilizedZirconia)陶瓷层组成的双层结构热障涂层,采用标准高温蠕变试验方法,研究了在高温、恒定外载荷作用下热障涂层中各层的形貌变化及裂纹的萌生、扩展,并探讨了涂层的失效过程和机理。垂直于试样轴向的断面观察表明,涂层在外力作用下氧化200h后层间裂纹非常明显,但几乎不发生在热氧化层(TGO)内,而是发生在陶瓷层与TGO层、TGO与粘结层之间,尤其发生在TGO与陶瓷柱状晶之间的等轴晶处。这种层间裂纹是在拉伸应力作用下,合金基体和粘结层发生径向收缩,而陶瓷层和TGO层的应变容限无法满足径向收缩而产生的。     

基于近场动力学理论的热障涂层热冲击开裂行为

为研究热障涂层热冲击后损伤行为,设计并完成了陶瓷基热障涂层(TBC)的热冲击试验,研究了热障涂层损伤规律,分析了热冲击温度对损伤的影响。基于近场动力学(PD)理论,推导了热障涂层的热力耦合计算列式,编程计算了热障涂层的温度响应和裂纹扩展过程,分析了冲击温度对热障涂层损伤的影响。结果表明：纵向裂纹从陶瓷层表面萌生,沿厚度方向扩展到陶瓷层/粘结层界面附近,部分裂纹出现分叉和转向的现象,形成了与界面平行的横向裂纹;随热冲击温度提高,涂层中纵向裂纹萌生时间提前且数量增加,纵向裂纹数量在0.50 s时达到峰值。近场动力学方法可较好地捕捉热障涂层内部纵向裂纹和横向裂纹的萌生与扩展现象,且裂纹位置、裂纹形式及不同参数对涂层损伤的影响规律与试验符合较好。     

旋转盘腔轴向通流的压降和温升数值研究

为获得旋转雷诺数对盘腔轴向通流温升和压降的影响,对轴向通流雷诺数(Re_x)恒定为1.0′10^₅、旋转雷诺数(Re_w)在0~5.31′10^₆之间、绝热边界下的流动进行了数值模拟,从流场特征、盘面绝热温升以及轴向通流压降和温升等三个方面进行了分析。研究表明,旋转雷诺数对于盘腔内部和轴向通流的流动均具有显著影响;尽管是绝热盘面,但是由于高速旋转的黏性耗散作用引发盘腔内气流的温升,由温度差引起的浮升力对于盘腔内流动和盘面温度分布的影响也是不可忽略的;随旋转雷诺数增大,轴向通流出口温度相对进口温度的温升急剧增大,在旋转雷诺数小于2.5′10^₆时,轴向通流相对温升系数在0.01以内,当旋转雷诺数大于4.5′10^₆时,轴向通流相对温升系数达到0.04以上。     

电子束物理气相沉积热障涂层陶瓷层微裂纹形成机理的研究

采用电子束物理气相沉积方法制备热障涂层，对其在热循环过程中陶瓷层产生的裂纹进行了观察。结果表明，陶瓷层中的裂纹起源于陶瓷层与金属粘结层的界面处，该处存在着不同于界面其他处的氧化物。应力计算结果表明，陶瓷层中产生的微裂纹不仅仅是陶瓷／金属界面间的热应力所致，还与产生的氧化物的种类有着密切的关系。     

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。     

High-temperature oxidation behavior and analysis of impedance spectroscopy of 7YSZ thermal barrier coating prepared by plasma spray-physical vapor deposition

Quasi-columnar structure 7YSZ(yttria stabilized zirconia) thermal barrier coatings(TBCs) are prepared by plasma spray-physical vapor deposition(PS-PVD) onto pretreated and un-pretreated bond coating, respectively. An isothermal oxidation experiment of 7YSZ TBCs is carried out in the atmosphere of 950 °C in order to simulate the high-temperature oxidation process of engine blades. The isothermal oxidation process of 7YSZ thermal barrier coatings is investigated systematically by impedance spectroscopy. The electrochemical physical model and equivalent circuit of columnar 7YSZ coatings are established. Results show that the isothermal oxidation kinetic curve of columnar 7YSZ thermal barrier coatings appears to follow the parabolic law. A pretreatment of bond coating can reduce the growth rate of the thermally grown oxide(TGO) layer, restraining the initiation and propagation of microcracks between YSZ and TGO layers. The oxidation rate constants of 7YSZ coatings with pretreated and un-pretreated bond coating are 0.101×10~(-12) cm~2·s~(-1) and 0.115 × 10~(-13) cm~2 ·s~(-1), respectively. Impedance analysis shows that the content of oxygen vacancies decreases and the density increases after the TGO layer is oxidized for 150 h. In addition, shrinkage microcracks formed by sintering during the oxidation process is the main reason for an increase of the capacitance and a decrease of the resistance in the grain boundary of YSZ.     

Effect of Sintering on Thermal Conductivity and Thermal Barrier Effects of Thermal Barrier Coatings

Thermal barrier coatings (TBCs) are mostly applied to hot components of advanced turbine engines to insulate the components from hot gas. The effect of sintering on thermal conductivity and thermal barrier effects of conventional plasma sprayed and nanostructured yttria stabilized zirconia (YSZ) thermal barrier coatings (TBCs) are investigated. Remarkable increase in thermal conductivity occurs to both typical coatings after heat treatment. The change of porosity is just the opposite. The grain size of the nanostructured zirconia coating increases more drastically with annealing time compared to that of the conventional plasma sprayed coating, which indicates that coating sintering makes more contributions to the thermal conductivity of the nanostructured coating than that of the conventional coating. Thermal barrier effect tests using temperature difference technique are performed on both coatings. The thermal barrier effects decrease with the increase of thermal conductivity after heat treatment and the decline seems more drastic in low thermal conductivity range. The decline in thermal barrier effects is about 80 °C for nanostructured coating after 100 h heat treatment, while the conventional coating reduces by less than 60 °C compared to the as-sprayed coating.     

热障涂层氧化行为研究进展

综述了国内外粘接层氧化行为的研究进展,介绍了粘接层氧化动力学,热生长氧化物( TGO) 组

成、结构和形成规律,以及亚稳态Al2O3 向稳态Al2O3 的转变规律,分析了MCrAlY 粘接层及基体合金中的各种

元素对TGO 形貌和成分的影响,指出了深入研究粘接层氧化行为的方法以及热障涂层性能的改善措施。

     

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。     

涡轮叶片热障涂层三维成像研究进展

热障涂层是涡轮叶片高温防护关键技术,具有典型的层状结构特征,且热障涂层服役过程中高温氧化产生热生长氧化物结构,迫切需要利用三维成像方法无损探知热障涂层内部结构.由于计算机断层成像技术能提供三维立体图像,准确再现物体内部三维结构,是热障涂层层状结构最佳分析手段之一,在热障涂层喷涂质量评价和高温氧化监测方面具有很好的前景....     

热载荷下热障涂层表-界面裂纹间的相互影响

针对高温热载荷条件下APS制热障涂层裂纹失效问题,基于涂层系统热弹、热弹塑性本构关系,考虑陶瓷层/氧化层/粘结层界面凹凸形貌,依据表、界面裂纹位置、性质不同,分别运用断裂力学和损伤力学理论建立裂纹演化模型,结合围线积分和内聚力单元法,分析了热载荷下表、界面裂纹断裂参量及开裂状态,研究了陶瓷层表面裂纹与粘结层/氧化层界面裂纹间的相互影响,揭示了热、力、化多场耦合下的裂纹失效机理。结果表明,表面裂纹大幅改变界面微区域的应力分布状态,靠近界面时能使界面裂纹扩展程度整体增加20%,且相邻凸峰处开裂非均匀性可达81%,表面裂纹断裂参量主要受多层结构热失配及缺陷主导,界面裂纹对其影响相对较小,分析结果与试验结果一致。      

双层氧化物生长下热障涂层的界面失效与应力演化

在长时高温服役环境下,热障涂层（TBCs）会在内部的陶瓷层（TC）和粘结层（BC）之间生成由Al2O3层和混合性氧化物层（MO）组成的双层热生长氧化物（TGO）。其中,后期生成的MO 由于其疏松多孔、脆性大等特点,极易造成涂层内微裂纹的形成和扩展,导致涂层的过早剥落。因此,依据双层TGO 生长的扩散—氧化模型,在考虑材料非线性变形行为的基础上,运用生死单元法模拟TBCs 内双层TGO 异向生长下涂层界面的失效与应力演化过程。结果表明：MO 的生长会大幅度提升涂层界面的拉伸应力水平,易导致MO/TC 界面在高温阶段波峰区域和冷却阶段斜坡中心区域发生破坏及失效;MO/TC 界面的失效会引起BC 层波峰处更高的拉伸应力,促进冷却阶段Al2O3/BC 界面从波峰向波谷处的破坏;MO/TC 界面失效后,hAl2 O3 /hMO 的增加会加速Al2O3/BC 界面的破坏。     

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。     

液相等离子喷涂纳米ZrO2热障涂层的显微结构及抗热震性能研究

采用液相等离子喷涂技术制备了纳米氧化锆热障涂层。用透射电镜、扫描电镜和X射线衍射研究了涂层的晶粒特性、显微结构和晶体结构,同时研究了纳米氧化锆热障涂层的热震性能。结果表明:液相等离子喷涂制备的涂层晶粒约30nm;涂层具备均匀的孔隙结构;涂层热震前后的主相为稳定的四方相晶体结构;涂层的特殊孔隙结构有利于缓解热震循环过程中产生的应力、阻止裂纹的形成和扩散,从而提高了涂层的抗热震性能。