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。     

纳米结构热障涂层的制备与性能研究

为充分发掘氧化锆(YSZ:ZrO2-6wt%Y2O3)基热障涂层的潜力,利用纳米级的YSZ粉末作为陶瓷涂层原材料,分别对采用等离子喷涂(APS)和电子束物理气相沉积(EB-PVD)沉积具有纳米结构陶瓷涂层的工艺过程进行全面研究.对比性试验结果表明,涂层中引入纳米结构使热障涂层具有更高的隔热效果,更高的硬度以及更高的抗剥落能力.并对纳米结构陶瓷涂层微观结构的高温稳定性进行研究分析.     

热障涂层杨氏模量和泊松比的测试

为了降低航空发动机热端部件的温度,空气等离子喷涂已被广泛地应用。为确定热障涂层的残余应力、结合力、断裂韧性、疲劳裂纹扩展速率等性能和特性,需要知道其杨氏模量和泊松比。因为涂层厚度非常薄且使用时是结合在基体上的,所以需要一个能够在原处测量涂层的杨氏模量和泊松比的方法。采用等离子喷涂工艺在GH150高温合金上喷涂了MCrAIY和陶瓷层,利用一种改进的悬臂梁方法测量了热障涂层的杨氏模量和泊松比。这种无损测试方法为测定其他薄膜材料的杨氏模量和泊松比提供了借鉴。     

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。     

等离子喷涂Cr_3C_2-NiCr涂层的气孔率统计分析

研究了等离子喷涂Cr3C2 NiCr涂层的气孔率服从正态分布、对数正态分布和韦伯分布的拟合优度。在统计分析的基础上 ,考察了喷枪移动速率和涂层厚度对涂层气孔率的影响。结果表明 ,在不同喷枪移动速率下喷涂不同厚度涂层 ,其气孔率均同时显著地服从正态分布、对数正态分布和韦伯分布 ,它们的变异系数在 0 .17～ 0 . 4 8,韦伯模数在 2 .0～ 6 . 2 ;根据不同分布估计出的平均值的置信区间基本相同。在相同的喷涂工艺参数条件下 ,厚度小于10 0 μm的涂层的气孔率较高 ;当涂层的厚度较厚时 ,涂层的气孔率为一常数。在 50 ,75和10 0m/min三种喷枪移动速率中 ,以 75m/min喷枪移动速率喷涂涂层的气孔率最低。     

热老化对热障涂层界面力学性能影响及数值计算

针对热生长氧化物（TGO）对热障涂层系统寿命的影响问题,利用大气等离子喷涂（APS）制备氧化钇稳定氧化锆（YSZ）热障涂层,在1 100℃条件下,对热障涂层进行不同时间的热老化试验。采用扫描电镜（SEM）观察并分析涂层的微观形貌,并利用界面压痕法及Almen基片弯曲法分别测量其界面断裂韧性及涂层内部应力,系统研究了TGO对涂层性能的影响规律。与此同时,利用动态热力耦合扩展逐层/实体元（TM-XLW/SE）方法对该问题进行了数值研究,采用扩展逐层方法模拟陶瓷层（TC）/TGO和粘结层（BC）/TGO之间的行为,采用八节点实体单元来构建合金基体,根据热障涂层和基体连接区域的位移、温度协调和内力平衡条件,将热障涂层和基体相互耦合,分析了在热老化作用下TGO厚度演变对热障涂层力学性能的影响规律,将数值结果与试验结论进行了对比分析,为热障涂层失效分析提供更进一步的支撑和佐证。     

EB–PVD热障涂层工艺优化 及其抗氧化性能

采用正交试验分别研究了基体预热温度、通氧流量以及通氧时间对电子束物理气相沉积YSZ涂层在1150℃热冲击和抗氧化性能的影响。随着基体预热温度的升高,涂层的热冲击性能先升高再降低,随着预氧化通氧流量的增加和通氧时间的延长,涂层的热冲击性能逐渐升高,当达到一定范围后趋于稳定。确定优化后的工艺参数为基体预热温度900℃,预氧化通氧流量200mL/min,预氧化通氧时间15min。     

Fe-Al／Al2O3梯度涂层制备过程中的热机械行为

在分析涂层中热应力产生机理的基础上,根据等离子喷涂制备过程中的实际受热条件和力学原理,建立了估算制备引起的涂层热应力的计算模型,并依此估算了Fe3Al-Al2O3涂层中的制备应力.通过对涂层微观结构的SEM观察,研究了Fe3Al-Al2O3涂层制备过程中的热机械行为特征及其对涂层性能的影响.结果表明,在梯度涂层中,随着组成成分的变化,热机械性能参量与制备应力均相应变化.最大热应力产生于梯度涂层的底层,从基体到表面沿厚度方向热应力逐渐减小.梯度涂层中的最大应力与平均应力值都小于单一Al2O3涂层中的热应力值.涂层与基体的热失配是涂层中热应力产生的根本原因.涂层成分的梯度化,可有效地缓和制备过程中的热应力.     

基体预热温度对ZrO2 涂层结合强度的影响

用等离子喷涂的方法在不同温度的45#钢基体上制备ZrO2涂层,通过涂层的结合实验、X射线衍射分析了基体温度与涂层结合强度之间的关系,发现当基体预热温度为250℃时涂层的结合强度最高,可达13.4 MPa;当预热温度高于350℃时,粘结层中的热生长氧化物明显增加,导致涂层的结合强度降低。     

氧化钇含量对YSZ热障涂层抗CMAS腐蚀性能的影响

系统研究大气等离子喷涂不同含量YO_1.5掺杂氧化锆涂层(8YSZ、38YSZ和55YSZ)在1300℃下的环境沉积物(CMAS熔盐)腐蚀行为和机制。结果表明：8YSZ涂层会发生严重的CMAS熔盐腐蚀，在基体与CMAS界面处，通过溶解-再析出，生成非保护性、含Ca和较低Y含量的C-ZrO₂，并有明显的晶界腐蚀现象；对于较高含量YO_1.5掺杂的38YSZ和55YSZ涂层，随着反应的进行，除球状C-ZrO₂外，还生成保护性的磷灰石(apatite)和石榴石(garnet)产物，能够有效阻止CMAS熔盐的进一步侵蚀；并且，55YSZ涂层表现出优于38YSZ的抗CMAS熔盐腐蚀能力。从光学碱度而言，YO_1.5含量越高，涂层与CMAS熔盐的反应活性越高，越容易生成在CMAS熔盐中稳定存在的产物；从反应进程来分析，高YO_1.5含量的涂层材料能够促使Y³⁺在CMAS熔盐中的饱和，进而生成更为稳定、连续的物相(如磷灰石、石榴石)，避免基体材料进一步与C...     

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。     

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。     

300M钢激光熔覆耐磨防腐自润滑涂层温度场数值模拟研究

为了提高飞机起落架减震支柱300M超高强钢的抗磨性能,突破由于温度梯度过大诱发的激光熔覆耐磨防腐自润滑涂层裂纹等技术瓶颈,基于ANSYS软件的生死单元法编制热循环程序,考虑自润滑相和耐磨相材料热物性参数随温度的变化、相变潜热、激光熔覆过程中与外界的换热、激光熔覆功率、激光熔覆扫描速率等因素对激光熔覆过程温度场、熔池、温度梯度的影响,建立300M超高强钢激光熔覆耐磨防腐自润滑涂层温度仿真模型。结果表明:基体的熔化需要激光、熔化的粉末等综合作用使传导到该区域的有效能量达到熔化的临界值,熔化高度增加率随激光功率的增加先降低后增加,熔化高度减少率随激光扫描速率的增加先变小后变大;由于激光熔覆的不同区域温度、冷却速率差异等综合因素影响,熔覆层熔池的纵截面为勺状熔池;伴随激光功率的增加,由于熔覆层不同区域对能量输入产生的温度响应速率差异导致Z方向温度梯度值增加,且最大冷却速率增加;伴随激光扫描速率的增加,激光输入能量降低,降低了高温区域温度及激光的快速局部加热等综合影响,Z方向温度梯度值降低。通过调控激光参数,在保持熔覆层结合强度的条件下,基体熔凝区能被控制到最小,并能够降低温度梯度。     

三种热喷涂工艺制备NiCr/Cr_3C_2-BaF_2·CaF_2涂层的结构与性能

采用大气等离子喷涂、爆炸喷涂和超音速火焰喷涂三种热喷涂技术制备了NiCr／Cr3C2-BaF2·CaF2涂层,分析比较了涂层的显微组织、物相组成、孔隙率、硬度、结合强度及其摩擦学性能。结果表明,与大气等离子喷涂相比,超音速火焰喷涂和爆炸喷涂技术制备的涂层具有更高的致密度、硬度和结合强度。采用包覆法制备的粉末进行喷涂,碳化物失碳明显减少,涂层中氧化物含量低。三种NiCr／Cr3C2-BaF2·CaF2热喷涂涂层的摩擦系数都随着温度的升高而减小,爆炸喷涂和超音速火焰喷涂涂层的摩擦系数比等离子喷涂涂层的摩擦系数更低,耐磨性得到提高。高温下BaF2·CaF2润滑膜的形成均可有效降低三种涂层的摩擦系数,从而降低涂层和对磨球Si3N4的磨损率。     

Hot Corrosion Behavior of Double-ceramic-layer LaTi2 Al9O19/YSZ Thermal Barrier Coatings

LaTi 2 Al 9 O 19 (LTA) exhibits promising potential as a new kind of thermal barrier coating (TBC) material, due to its excellent high-temperature capability and low thermal conductivity. In this paper, LTA/yttria stabilized zirconia (YSZ) TBCs are produced by atmospheric plasma spraying. Hot corrosion behavior and the related failure mechanism of the coating are investigated. Decomposition of LTA does not occur even after 1 458 hot corrosion cycles at 1 373 K, revealing good chemical stability in molten salt of Na 2 SO 4 and NaCl. However, the molten salt infiltrates to the bond coat, causing dissolving of the thermally grown oxide (TGO) in the molten salt and hot corrosion of the bond coat. As a result, cracking of the TBC occurs within the oxide layer. In conclusion, the ceramic materials LTA and YSZ reveal good chemical stability in molten salts of Na 2 SO 4 and NaCl, and the bond coat plays a significant role in providing protection for the component against hot corrosion in the LTA/YSZ TBCs. LTA exhibits very promising potential as a novel TBC material.     

Coating deposition regularity depended on orientation difference in PS-PVD plasma jet

The YSZ coatings are prepared by the plasma spray-physical vapor deposition (PS-PVD) technology based on a specific experimental design. The structure, thickness and growth angle of YSZ coatings on the entire circumferential surface of the cylindrical sample are studied. The results indicated that the structure, thickness and deflection growth angle of YSZ coatings are related to the orientation of deposition location. The numerical simulation of the multiphase mixed fluid near the substrate is carried out and the deposition regularity and mechanism of YSZ coatings prepared by PS-PVD is deduced. The growth rate is related to the local characteristics of the plasma flow field, and is directly proportional to the field pressure and inversely proportional to the field velocity. The growth angle of the coating is generally affected by the flow direction of the plasma jet. Especially, the normal component of velocity vector, V_norm, mainly affects the speed at which the coating grows vertically upwards. The tangential component of velocity vector, V_tan, determines the degree that the coating growth direction deviates from the vertical direction. When V_tan ≠ 0, the coating forms a fine column with a certain deflection angle and finally develops into an oblique columnar structure.     

钛合金表面镍包石墨喷涂层的耐磨性能

为了提高钛合金的表面耐磨性,利用氧乙炔热喷涂枪,在TC4合金表面上制备出镍包石墨涂层。采用MXP-2000型销盘式摩擦磨损实验机,进行钛合金及其镍包石墨涂层的干摩擦磨损实验,并利用扫描电镜对磨损表面进行观察和分析。实验结果发现,镍包石墨涂层的摩擦系数只有钛合金的一半左右,前者磨损量为后者的1/6,说明镍包石墨涂层可以大大提高钛合金的表面耐磨性能。TC4合金的磨损机制以黏着磨损为主,喷涂层的磨损机制以磨粒磨损为主,喷涂层中的石墨润滑相是其耐磨性高的主要原因。     

EB-PVD热障涂层对IC10合金力学性能的影响

采用电弧离子镀技术在IC20合金基体上制备NiCrAlYSi粘结层,利用电子束物理气相沉积（EB—PVD）技术在粘结层上制备YSZ陶瓷面层。研究了YSZ热障涂层对IC10合金拉伸、持久、疲劳性能的影响。结果表明：IC10合金沉积YSZ热障涂层后,980℃／200MPa高温持久寿命与IC10合金相当;900℃高温抗拉强度σb、屈服强度σ0.2、伸长率占和断面收缩率砂与基体相比,基本保持不变;室温抗拉强度σb。屈服强度σ0.2：与基体相比稍有下降;800℃／447MPa疲劳寿命与基体合金相当。因此,IC10合金沉积TBCs涂层后,对IC10合金力学性能无明显影响,不影响合金的实际使用。