长寿命热障涂层的剥落机理及抗剥落结构设计

涂覆于高温合金热端部件表面的热障涂层,具有隔热防护作用,属新一代燃气轮机的关键核心技术。等离子喷涂制备的热障涂层隔热性能好,但长时间高温服役后存在开裂剥落问题,引发基体烧蚀、造成巨大经济损失。因此,发展长寿命热障涂层是该技术领域的重大难题。本文从等离子喷涂热障涂层的独特层状结构特征入手,阐述涂层在高温服役中结构和性能的演变规律,揭示涂层剥落失效机理,总结长寿命热障涂层设计方法。研究表明,等离子喷涂热障涂层呈现以连通2D孔隙为主的层状多孔结构,具有优异的隔热功能和协调应变能力。然而,涂层在高温服役中发生烧结,2D孔隙大量消失,涂层显著刚化,使热障涂层开裂驱动力急剧增加,引发微观裂纹扩展并贯通形成大尺度裂纹,导致涂层最终剥落失效。据此,分别从降低开裂驱动力和增加开裂阻力两方面着手,总结抗开裂新结构涂层设计方法,为研发长寿命热障涂层指明了发展方向。在未来研究中,如何保证涂层高隔热和长寿命并同时兼顾经济性,是发展新一代高性能热障涂层的重点方向。     

工艺动态

热障涂层的有孔薄膜热障涂层 (ＴＢＣｓ)是涂覆在表面防止高温的低导热性材料层 ,它可保护涡轮发动机部件免受高温损坏。在涡轮发动机中 ,增加了工作温度就增加了燃料效率 ,减少了散热。发动机关键部件通常在额定熔化温度以上运转 ,这些零件由于热疲劳或氧化作用而损坏成为主要问题 ,除非采用降低表面温度的方法。ＴＢＣｓ的作用是 :用低导热性材料薄膜喷涂敏感部件 ,有效地与高温隔离。新的热障涂层方法是对热障涂层的部件沉积薄膜。采用控制底材运动 ,以另一种形式真空沉积有孔层和表层 ,形成新的多层薄膜结构。用 3Ω和Ｍｉｒａｇｅ技术…     

锆基陶瓷热障涂层的腐蚀研究进展

近年来随着航空与航海工业的迅速发展,具有耐高温、长寿命、耐腐蚀等优势的发动机叶片成为开发新一代航空发动机和涡轮发动机的重要一环。热障涂层（TBCs）作为常用的热防护技术,一方面可为发动机叶片部分金属基底提供隔热保护,使其免受高温气体的影响;但另一方面,更高的发动机工作温度使得叶片及其表面TBCs遭受严重的环境沉积物腐蚀,造成过早失效,腐蚀类型主要有热腐蚀、CMAS腐蚀、熔盐腐蚀等。腐蚀已成为限制TBCs工作温度和服役寿命的难题,抗腐蚀防护是目前TBCs领域研究的重点。本文首先简述了以氧化钇稳定氧化锆陶瓷（YSZ）为主的热障涂层材料的主要特性,再简述了TBCs的不同腐蚀的反应机理,重点从涂层的微观结构设计、梯度涂层的设计、涂层成分改性及掺杂改性等方面与涂层腐蚀过程之间的影响关系出发,阐述了TBCs改性方法与涂层腐蚀的特点。提出未来涂层改进与防护的几种方法,最后对TBCs的腐蚀防护发展方向进行了展望。     

一种世界上最精确的CMM

日本三丰 (Ｍｉｔｕｔｏｙｏ)公司生产出了一种新型的Ｌｅｇｅｘ三坐标测量机 (ＣＭＭ )。这种新型ＣＭＭ在其世界上的同类型产品中测量是最精确的 ,它对零部件的测量精度为Ｅ =(0 . 48 Ｌ/ 10 0 )ｍｍ。70 7型Ｌｅｇｅｘ的测量范围为 70 5ｍｍ (70 5ｍｍ (45 5ｍｍ ,而另一种稍大一些的 910型Ｌｅｇｅｘ的测量范围为 90 7ｍｍ×10 0 5ｍｍ× 6 0 5ｍｍ。Ｌｅｇｅｘ 910型测量机可以测量零件的最大高度为 745ｍｍ ,最大重量为 80 0ｋｇ。ＬｅｇｅｘＣＭＭ的驱动系统采用了将驱动装置置于每个轴架的重心位置上的设计方案 ,从而减小了测量机在…     

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。     

超音速火焰喷涂——宇航材料研究的重要工艺

叙述了用超音速火焰喷涂系统制备的硬质合金涂层的性能。喷涂设备为ＭＥＴＣＯ公司的Ｄ．Ｊ超音速火焰喷涂系统，材料为国产ＹＧ１２烧结粉末。作者利用Ｘ衍射、扫描电镜、金相分分析、力学性能检测等手段，对涂层的相结构、微观组织、力学性能进行了测试和研究。结果表明，硬质合金涂层结合强度大于７０ＭＰａ，孔隙率小于１％，涂层无脱Ｃ现象，涂层极限厚度可达１ｍｍ，抗摩擦磨损，颗粒主员性能非常好。     

航空发动机涡轮叶片热障涂层应用的关键技术和问题

热障涂层是提高涡轮叶片可靠性和服役寿命的关键技术。从热障涂层的粘结层与涡轮叶片高温合金基体的匹配性、CMAS(一种基于CaO、MgO、Al2O3和Si O2等多种氧化物构成的环境沉积物)形成及其对热障涂层的损伤和相应的防护、叶片热障涂层厚度分布的过程控制、热障涂层制备过程中气膜孔缩孔、热障涂层的在线无损检测及涂层返修以满足涡轮叶片全寿命周期需求等方面论述了航空发动机涡轮叶片热障涂层工程应用技术和需要解决的实际问题。     

燃气涡轮发动机高温部件热腐蚀化学反应机理的探讨

根据燃气涡轮发动机的工作环境及化学反应的原理，本文详细讨论了因腐蚀介质──Ｎａ２ＳＯ４、ＮａＣｌ、Ｖ２Ｏ５引起的燃气涡轮发动机高温部件热腐蚀的机理。     

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。     

稀土金属涂层

在热障涂层中加入稀土金属成分可以延长发动机高压涡轮叶片在高温环境中的使用寿命。日前,铬合金公司开发了一种含有稀土金属的新型热障涂层,被称为RT-135涂层,主要用于空气等离子喷涂。与RT-35或Lowk涂层一样,     

航空发动机热障涂层导电性能研究

传统的航空发动机热障涂层主要关注点是其热绝缘特性及可靠性的研究,并且已经形成了一整套基于YSZ的热障涂层技术,但是缺乏热障涂层高温导电性能的研究。另一方面,基于对航空发动机智能化的要求,需要在涡轮叶片表面制造电学器件(传感器),所以有必要对航空发动机热障涂层的电学性能进行相关的研究。研究了YSZ热障涂层在高温下的电学性能,提出了能提高其高温电绝缘性能的技术方法:可以对YSZ热障涂层喷涂配方进行改良。试验证明,在涂层中加入一定含量的氧化铝可以把热障涂层的高温电绝缘性能提高4个量级,可以满足在涡轮叶片热障涂层之上制作微传感器的实际工程需要。此外,利用计算机仿真技术对高温环境下的热障涂层复合结构进行了电学性能的综合分析,分析的结果证明,在传感器/热障涂层/涡轮叶片基底的复合结构当中,热障涂层表面的传感器电流的高温特性是各层材料的导电性、传感器与热障涂层的结构与尺寸的综合函数。     

激光重熔等离子喷涂纳米氧化锆热障涂层组织与性能

采用等离子喷涂纳米氧化锆(ZrO_2-8%Y_2O_3)团聚粉末制备了纳米氧化锆热障涂层,利用连续CO_2激光对其进行重熔处理.以常规热障涂层作为比较对象,研究了纳米氧化锆热障涂层和激光重熔涂层的组织结构、硬度、抗热冲击性能.结果表明:纳米氧化锆热障涂层组织结构为独特的纳米-微米复合结构,主要有柱状晶和未熔融或部分熔融纳米颗粒组成;激光重熔热障涂层的组织结构为表面等轴晶+断面柱状晶.硬度试验和抗热冲击性能试验综合比较结果显示:相对于常规氧化锆热障涂层,纳米氧化锆热障涂层和激光重熔热障涂层拥有更好的性能.因此将纳米技术和激光重熔表面处理技术与等离子喷涂技术结合起来制备热障涂层是提高热障涂层性能的非常有前景的工艺方法.     

新一代超高温热障涂层研究

介绍先进燃气涡轮发动机热障涂层的研究背景、意义和现状;综述近年来国内外在新一代超高温热障涂层方面的研究进展,包括新型超高温、高隔热陶瓷隔热层材料,1150℃以上抗高温氧化、与先进单晶高温合金化学匹配的新型金属黏结层材料,长寿命、高可靠性热障涂层结构设计以及先进热障涂层制备技术;分析发动机环境下CMAS沉积物对热障涂层的损伤机理以及相关的CMAS防护方法;最后展望新一代超高温热障涂层的发展动向及研究热点.     

电子束物理气相沉积热障涂层抗氧化行为研究

电子束物理气相沉积热障涂层技术是一项用于保护航空发动机热端部件的关键技术。热障涂层除了要完成降低热端部件工作温度（或提高发动机工作温度）的任务之外，另一项主要任务就是防止高温腐蚀。本文通过理论分析和实验证实，在以ＺｒＯ２为基的隔热层中，由于粘结层氧化所需氧量极少，其氧气分压与环境中的氧分压几乎一样，因此热障涂层系统中粘结层的高温氧化与陶瓷层厚度基本无关。同时还系统地分析了粘结层合金的选择、不同合金元素的作用及其对抗高温氧化性能的影响。     

CeO_2含量对Nd_2Ce_xO_(3+2x)热障涂层性能的影响

采用高温固相法合成了Nd2CexO3+2x(x=2.0,2.25,2.5,2.75,3.0)复合氧化物,在高温合金基体上采用等离子喷涂制备了该材料热障涂层.XRD分析结果表明Nd2CexO3+2x粉末和涂层均为立方萤石晶体结构.考察了CeO2含量对Nd2CexO3+2x的力学性能(弹性模量、维氏硬度和断裂韧性)和等离子喷涂涂层在1250℃抗热震性能的影响.随着CeO2含量增加,材料的弹性模量降低,维氏硬度和断裂韧性提高.通过提高初始粉末中CeO2的含量,获得了组成接近化学计量比Nd2Ce2O7的涂层,涂层的抗热震性能增强,热循环次数达到1000次以上.Nd2CexO3+2x涂层的失效原因主要是:与金属基体之间热膨胀系数不匹配、粘结层氧化和涂层烧结.     

航空发动机涂层技术及应用

在诸多涂层中,热障涂层结构最为复杂,并且在高温工作环境中承担着重要角色。尤其是利用电子束作为热源的热障涂层沉积技术,在航空航天领域得到了广泛应用并发挥了巨大作用。涂层通常指覆盖或涂敷于零件表面的一层特殊材料,广义上讲是增材制造的特殊形式。涂层在材料或工件上所占质量及体积比例虽然很小,但其对提高材料性能、延长零件     

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。     

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。     

真空预氧化处理对热障涂层静态氧化行为的影响

利用超音速火焰喷涂技术在DZ40M合金表面制备了Ni Co Cr Al Y粘结层,采用等离子喷涂技术在粘结层表面制备了陶瓷面层,并对整体热障涂层进行了真空预氧化处理。通过高温静态氧化实验研究了真空预氧化对热障涂层的氧化行为的影响。结果表明:真空预处理可在MCr Al Y粘结层和陶瓷面层的界面处形成连续、致密的α-Al2O3层;在1050℃下氧化800h后,喷涂态涂层TGO中除α-Al2O3外,还生成了大量尖晶石氧化物,而预氧化涂层TGO则以α-Al2O3为主;预氧化处理有效抑制了涂层在高温氧化过程中尖晶石氧化物的形成,从而降低了整体氧化膜的生长速率。