热障涂层在涡轮叶片应用中的热防护有效性

建立了含热障涂层的涡轮叶片简化传热模型,通过理论推导建立了热障涂层的有效性判据,并基于此进行了热防护有效性分析。理论分析与数值实验表明:由热障涂层带来的复合传热表面传热系数的变化会显著影响热障涂层的热防护效果;在发动机典型工况下,对于处于高温区的高压涡轮叶片前缘处,热障涂层引起的复合传热表面传热系数变化率最大值的范围为1.25%~10.83%以满足热防护有效性要求。在工程中应特别注意由于热障涂层的应用带来的复合传热表面传热系数的变化,否则会导致热防护失效,甚至产生反效果。      

热冲击环境下涂层/基底界面的微观形貌及元素扩散规律研究

针对热障涂层在高温环境中长期服役的需求,研究热障涂层在热冲击环境下涂层/基底界面形貌演变及元素扩散规律。通过自主搭建的石英灯加热平台对热障涂层进行热冲击试验。利用SEM和EDS对热冲击后涂层/基底界面的微观形貌及元素分布进行分析,利用Boltzmann-Matano扩散模型计算了涂层/基底界面Al元素的扩散系数。结果表明,沉积态的热障涂层中黏结层（BC）主要由β和γ相组成,并且在涂层/基底界面已经出现扩散区;随着热冲击试验的进行,Al元素快速消耗致使BC层和基底间Al元素浓度梯度转变,Al元素开始向外扩散,部分拓扑密堆（TCP）相中富集的难熔元素可以重新固溶到基底中,最终各元素在界面区的分布逐渐均匀;Al元素的扩散系数在热冲击试验开始前为正值,到600次热冲击循环后为负值,且扩散系数的最大值均出现在涂层/基底界面处,距离界面越大,扩散系数就越低。     

一种单晶涡轮叶片热机械疲劳寿命评估方法

针对单晶涡轮叶片热机械疲劳(TMF)问题,围绕单晶涡轮叶片TMF试验,结合单晶变形、损伤理论及数值模拟,建立了一套单晶涡轮叶片TMF寿命评估方法.利用空心气冷涡轮叶片TMF试验系统,对单晶涡轮片考核截面在服役条件下所产生的交变应力场和交变温度场进行模拟,确定了裂纹萌生部位及其TMF寿命.考虑单晶涡轮叶片变形和损伤行为的特征,分别建立了基于滑移系的Walker黏塑性本构模型和基于临界平面的循环损伤累积(CDA)模型.利用上述本构和寿命模型,完成了单晶涡轮叶片TMF试验的数值模拟.结果表明:叶片理论危险点与试验结果一致,且计算寿命基本落在试验寿命的3倍分散带内.      

射频磁控溅射沉积热障涂层结构特征及高温氧化性能

采用3kW射频电源在经真空电弧镀涂敷了NiCrAlY过渡层的涡轮和导向叶片上沉积 ZrO2陶瓷层,对其组织结构与元素面分布进行了电子探针测试.对NiCrAlY涂层进行喷丸形变处理,研究了不同时效温度下的应力变化.测试了热障涂层高温氧化与热冲击性能,结果表明,经1100℃静态氧化100h和热冲击500次陶瓷层未剥落.     

热暴露对带热障涂层DD6单晶高温合金组织的影响

采用0.3 MPa压力对DD6单晶高温合金进行水吹砂,然后用电子束物理气相沉积的方法在DD6合金基体上制备了热障涂层,将带热障涂层试样置于1100℃空气气氛中分别进行50 h和100 h热暴露,在1100℃/130 MPa条件下测试持久性能。研究了水吹砂及高温热暴露对带热障涂层DD6合金组织的影响。结果表明：0.3 MPa压力水吹砂制备热障涂层并高温热暴露后没有发现再结晶组织;热暴露过程中,基体和涂层之间的元素会发生不同程度的互扩散;表面残余应力和元素互扩散导致了γ′相粗化方向的变化;性能测试后试样断口附近的涂层与基体界面下方局部区域形成了二次反应区。     

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。     

热障涂层对涡轮动叶温度及应力的影响研究

为研究热障涂层对于涡轮叶片服役温度和应力的影响,以燃气轮机第一级涡轮动叶为研究对象,基于流热固耦合的数值仿真方法,分析了有无热障涂层及不同热障涂层厚度下,叶片的流动传热特征以及叶身应力响应变化规律,并将温度和应力分析结果与真实服役叶片热障涂层剥落和基体裂纹萌生失效等故障情况进行对比分析。结果表明：数值仿真方法可以揭示涡轮叶片实际运行中的温度和应力分布特征;热障涂层可有效降低叶片基体的平均温度,但是对于局部高温区,若没有良好的冷却设计配合,热障涂层的保护效果有限;热障涂层厚度变化未改变叶片高应力区位置,随着厚度增加,叶片危险部位的应力逐渐下降;对于本文的研究对象,与无热障涂层情况相比,0.4mm热障涂层可使得叶片高应力区域最大等效应力下降30～60MPa。     

“热障涂层”主题征稿

选题背景现代航空发动机提高涡轮前进气温度,除了采用单晶高温合金,双层壁冷却技术、气膜冷却等冷却技术之外,还有一个重要技术就是热障涂层。热障涂层可以显著降低涡轮叶片的表面温度,大幅度延长叶片的工作寿命,提高发动机的推力和效率,因此热障涂层与叶片冷却设计技术、单晶高温合金材料技术并列,是先进航空发动机叶片的三大核心技术之一。     

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。     

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。     

单晶涡轮叶片热机械疲劳试验技术

针对单晶空心气冷涡轮转子叶片的热机械疲劳(TMF)试验要求,建立了涡轮叶片热机械疲劳试验系统,包括加载、加热、气冷、水冷和控制等5个子系统.试验结果表明:该系统能够同时模拟服役条件下单晶涡轮叶片考核截面的应力场、温度场、气冷过程以及应力/温度谱等.利用该试验系统进行了单晶涡轮叶片考核截面的热机械疲劳试验,试验结果再现了涡轮叶片在服役状态下的失效模式.基于上述试验结果可以进行涡轮叶片的寿命预测和失效分析.      

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。     

热障涂层在线/离线磷光温度测量技术研究进展

精确测量涡轮叶片表面热障涂层温度对航空发动机和地面燃气轮机设计和研制具有极其重要的意义。近年来,基于热像磷光材料磷光特性的热障传感涂层在线测温技术与热历史磷光涂层离线测温技术得到了迅猛发展。前者通过在线测量高温下磷光信号来获取实时温度信息,后者通过离线测量经高温服役后的磷光材料不可逆磷光信号变化来获取服役温度信息。这两项技术都适用于高温、高腐蚀环境下热障涂层非干涉、非接触式和高精度温度测量,具有广阔的应用前景。从热障涂层在线/离线测温原理与方法、磷光材料与制备及应用3个方面详细介绍了热障涂层在线/离线测温技术的研究现状与技术特点,并对这两种技术的发展进行了展望。     

飞秒激光带热障涂层叶片气膜孔加工技术研究进展

航空发动机涡轮叶片采用热障涂层技术和气膜孔冷却技术可以大大提升叶片的耐温能力,因此可以显著提高发动机的工作温度使其具有更高的推重比和效率。而在带有热障涂层叶片上实现高品质和高精度冷却气膜孔的加工是发动机制造技术的难点。由于飞秒激光加工具有材料无选择性、无热影响区及加工精度高等特点,因此飞秒激光成为加工带热障涂层叶片气膜孔的研究热点。阐述了飞秒激光与叶片涂层和基体材料的作用原理和飞秒激光微孔加工的技术特点,介绍了飞秒激光带热障涂层叶片气膜孔加工技术的研究过程和发展现状,展望了该技术在高精度带热障涂层叶片气膜孔制造中的应用前景。     

热障涂层水助激光扫描加工试验

为了提升涡轮发动机的整体性能和可靠性,需要在带热障涂层(TBC)的单晶高温合金涡轮叶片上制备大量气膜冷却孔,激光加工是实现“先涂层后打孔”的优势加工手段。采用水助激光扫描加工方法,通过正交试验和单因素试验研究了各因素对TBC损伤程度和TBC材料去除率的影响关系,试验结果表明对涂层剥落损伤的影响程度由大到小依次为光斑重叠率、激光重复频率、激光器电流和水泵电压,当光斑重叠率为98%、激光重复频率为50 kHz、激光器电流为38 A、水泵电压为14 V时,可以避免TBC水助激光加工出现剥落损伤;对TBC材料去除率的影响程度由大到小依次为激光器电流、激光重复频率、水泵电压和光斑重叠率,当优选激光器电流为38 A、激光重复频率为15 kHz、水泵电压为14 V、光斑重叠率为80%时,TBC材料去除效率最高。分析了TBC水助激光加工涂层剥落损伤的形成原因是热应力和等离子体力学冲击共同作用的结果,同时水助激光加工产生的气泡空蚀会导致加工区域周边涂层颜色变白,影响范围约为59.5μm,空蚀去除厚度约2.7μm。以上研究为带热障涂层单晶高温合金涡轮叶片气膜孔水助激光高效低损伤加工提供了技术支撑。     

等离子涂层涡轮导向叶片热疲劳寿命预测研究

针对等离子涂层涡轮导向叶片材料的变形特点,引入了粘塑性本构模型.进行了涂层高温氧化实验、带涂层构件热疲劳实验及有限元模拟研究.基于研究结果,建立了可以体现氧化损伤与热疲劳损伤耦合效应的寿命预测模型.计算分析了带涂层涡轮导向叶片的稳态温度场、涂层隔热效果和基于宏观尺度的应力应变场,研究了宏、细观有限元计算结果间的转换关系,提出了等效系数的方法,对涡轮导向叶片表面涂层的热疲劳寿命进行了预测.寿命预测结果合理,方法可行.      

电子束物理气相沉积YSZ热障涂层热循环性能

考察了YSZ热障涂层的抗热循环性能;分别利用SEM、XRD分析了热循环前后涂层的显微结构和相组成。经分析可知,YSZ热障涂层具有典型的柱状晶结构,沉积态时YSZ涂层为t/t′相,经过600次热循环后,YSZ涂层未发现脱落。     

电子束物理气相沉积叶片热障涂层工艺稳定性提升技术研究

电子束物理气相沉积（EB–PVD）是航空发动机涡轮叶片涂层的先进制备技术。EB–PVD的工艺稳定性对于叶片涂层质量及批产一致性至关重要。本研究针对我国先进航空发动机对高性能热障涂层的应用需求,研制出了EB–PVD自动蒸发沉积技术和叶片多自由度涂层沉积技术。工艺验证和性能测试结果表明,所研制的自动蒸发沉积技术可使涂层过程靶材消耗均匀稳定,涂层质量良好;双坩埚结构配置可进一步满足新一代超高温双层结构热障涂层工艺需求。所研制的多自由度沉积技术有助于提升叶片涂层厚度均匀性,改善缘板涂层质量,实现涂层厚度和微观组织的精确调控。利用上述工艺制备的涂层试片抗燃气热冲击性能优异,模拟叶片缘板位置涂层寿命与模拟叶身位置涂层寿命相近。     

石墨烯涂层在某型航空发动机高涡叶片中的应用

某型航空发动机高压涡轮叶片长期服役后,其前缘处易产生烧蚀脱落现象,严重影响发动机的后续可靠使用.为改善高涡叶片前缘烧蚀问题,通过吹砂、喷涂及烧结等方式在叶片前缘处涂覆石墨烯涂层以作应用研究,结果表明:叶片石墨烯涂层厚度均匀,组织致密,富含ZrO2和Cr2O3,其相关力学、热学性能满足使用要求,经长试后发现石墨烯涂层对叶...     

热障涂层在航空发动机涡轮叶片上的应用研究

从热障涂层在涡轮叶片的应用需求出发,研究了陶瓷热障涂层的材料与制备方法,介绍了热障涂层的基本原理和主要工艺特点,解决了热障涂层在喷涂过程中所产生的堵塞气膜孔、减小排气面积、降低疲劳性能、遮挡等方面的难点问题,给出了热障涂层叶片在试验和试车中的考核结果。