热障涂层氧化和热疲劳寿命实验研究

本论文是热障涂层氧化和热疲劳寿命研究工作的第一部分,主要针对等离子、EB-PVD两种类型的涂层,开展涂层的氧化和热疲劳实验研究,并为后面建立和校核涂层的寿命预测模型奠定实验基础。整个研究工作的重点放在设计合适的实验方案或方法,了解国内目前涂层喷涂工艺水平下涂层的寿命特点和失效模式,并结合微观的分析,了解涂层氧化和热疲劳失效的机理。整个实验工作分为涂层氧化实验和热疲劳实验;氧化实验考虑到了氧化增重和氧化层厚度的两个参量的测量;热疲劳考虑到了主要由循环热不匹配应力引起的寿命失效和带高温保持时间的热循环疲劳失效,及其氧化的影响。      

碳—碳复合材料Si—MoSi涂层的抗氧化性能

研究了Ｓｉ－ＭｏＳｉ２系统作为碳－碳复合材料抗氧涂层的可能性。结果表明，当涂层中ＭｏＳｉ２含量为２０（ｗｔ）％时，涂层具有优良的抗氧化和抗热震性能，在１５００℃下，该涂层表现出长寿命抗氧化性能，２４２ｈ的氧化失重为０．５７％，氧化失重速率稳定在２．４３×１０＾－５ｇ／ｍｓ＾２．ｓ。     

镍铝涂层晶粒细化与金属氧化物掺杂改性研究

包埋渗铝获得的镍铝涂层是一种最早使用的Al_2O_3膜热生长型高温涂层。自20世纪50年代应用于航空发动机热端部构件的高温防护以来,进一步提高其抗高温氧化性能的机理和技术研究延续至今。基于对合金氧化及Al_2O_3膜热生长机制的理解,提出了晶粒细化与特定金属氧化物掺杂可提升镍铝涂层抗氧化性能的观点,介绍了涂层晶粒细化与金属氧化物弥撒掺杂方法,讨论了这些结构和成分改性影响涂层抗高温氧化性能的关键因素:包括Al_2O_3膜生长速度、亚稳态相向稳态相转变、涂层的黏附性以及涂层与合金基体的互扩散。这些新的研究结果有望为进一步挖掘渗铝涂层的应用潜力、延长其服役寿命提供理论和试验基础。     

某涡轮叶片热障涂层的寿命预测方法

基于NASA发展的CoatLife软件中推荐的应力 寿命建模方法,研究了某涡轮叶片热障涂层寿命预测方法。通过在寿命模型中引入氧化增质量,并考虑氧化动力学,实现了寿命模型与高温氧化效应的关联。由于寿命模型中的疲劳强度系数是时间和半径的函数,从而可以应用于实际结构中的不同几何形状,并考虑了时间相关的退化效应。计算结果表明,随着最高温度或疲劳强度系数的增加,涂层的循环寿命和时间寿命均会减少。通过对某涡轮叶片在设计温度场下的涂层寿命预测结果表明,循环时间为1h条件下叶片前缘1/2叶高处涂层剥落寿命大约336 h,与实际叶片涂层失效在300~400h之间吻合。      

盐雾腐蚀对热障涂层高温循环氧化性能的影响

利用电子束物理气相沉积法在Ni基高温合金表面制备了(ZrO₂＋MCrAlY)双层结构热障涂层。研究了常温盐雾腐蚀对其循环氧化行为的影响。试验结果表明涂层经过常温盐雾腐蚀后,陶瓷层的裂纹发生扩展,氧化锆晶体挤压、变形,同时由于常温盐雾环境的作用导致涂层在高温氧化过程中粘结层氧化严重,生成的热生长氧化层产生较大的体积膨胀效应,导致应力集中,降低了涂层的高温循环氧化性能,缩短了涂层的寿命。     

DZ22／NiCrAlY涂层抗氧化性能研究

为了提高ＤＺ２２ 合金的高温抗氧化性能,利用磁控溅射技术沉积了ＮｉＣｒＡｌＹ 涂层。周期氧化试验表明,涂覆ＮｉＣｒＡｌＹ 涂层后ＤＺ２２／ ＮｉＣｒＡｌＹ系统周期氧化总寿命高于２０００ｈ, 较未施加涂层的ＤＺ２２ 提高１０ 倍以上。涂层中微量元素Ｙ 和ＲＥ的适当增加,可进一步改善涂层的抗高温氧化性能     

热障涂层热疲劳寿命预测方法研究

本文是热障涂层氧化和热疲劳寿命研究工作的第二部分,在前面已开展涂层氧化和热疲劳实验研究的基础上,针对等离子、EB-PVD两种类型的涂层,建立涂层的寿命预测模型。由于这部分工作在国内尚属首次,因此着眼点放在模型建立及校核的方法研究上。主要工作包括涂层热疲劳寿命模型研究、寿命模型参数的提取、寿命关键部位的有限元应力应变分析方法等方面。整个研究完整地给出涂层寿命分析的整个过程和方法。并通过两类涂层的热疲劳寿命试验结果,验证和校核寿命模型的预测能力和可行性。      

复合包渗法制备铌合金表面硅化物涂层

采用复合包渗法在C103铌合金基体上制备硅化物涂层,进行1500℃静态氧化实验,室温～1500℃热震实验,利用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、能谱分析(EDS)等检测手段对涂层氧化前后的组织结构进行观察,分析涂层形成机理、硅化时间对涂层组织结构的影响以及涂层氧化前后组织形貌的变化.研究表明,复合包渗法制备硅化物涂层主要是通过扩散反应形成的;涂层是以MoSi2相为主体层的多相复合结构;在高温氧化环境下,涂层表面生成熔融态非晶玻璃膜,有效阻止了氧向内进一步扩散,涂层抗静态氧化及抗热震性能良好.     

溅射NiCrAlY涂层对Ti3Al金属间化合物氧化性能的影响

采用称重法研究了溅射ＮｉＣｒＡｌＹ涂层对Ｔｉ＿３Ａｌ金属间化合物在８５０～９５０℃空气中的氧化性能的影响。结果表明，Ｔｉ＿３Ａｌ的抗氧化性能较差。氧化时，其表面不能形成单一的Ａｌ＿２Ｏ＿３保护膜，氧化膜易剥落；溅射ＮｉＣｒＡｌＹ涂层能通过在涂层表面形成粘附性良好的富Ａｌ＿２Ｏ＿３氧化膜而显著改善Ｔｉ＿３Ａｌ的抗氧化性能。但在９５０℃时有少量合金基体中的Ｔｉ扩散到涂层表面形成ＴｉＯ＿２。同时涂层中的Ｎｉ的强烈向内扩散及基体中的Ｔｉ强烈地向外扩散导致沿涂层与合金基体间形成扩散带。     

航空发动机涡轮叶片用高温合金微晶涂层

本文介绍了一种适用于航空发动机涡轮叶片的新型涂层──微晶涂层。其特点是涂层成分与基体合金相同，具有比常规渗铝涂层更好的抗恒温氧化和抗循环氧化性能，其上生成的氧化膜具有良好的修复性，微晶涂层具有优良的高温组织稳定性，在涂层与基体合金间不会生成有害脆性相。