预热温度对热障涂层表面裂纹形成的影响

先进航空发动机与燃气轮机热端部件的服役温度不断提高,对热障涂层性能提出了越来越高的要求。在涂层中引入一定密度的周期分布表面裂纹,可以同时提升其隔热性能和服役寿命,是一种极具潜力的先进热障涂层技术。然而,目前关于这种涂层中表面裂纹形成的力学机制研究尚不充分。以等离子喷涂热障涂层表面裂纹的形成过程为对象,发展了考虑热应力的多层结构剪切滞后模型,推导了表面裂纹形成前陶瓷层内应力场与位移场的解析解,获得了不同预热温度下陶瓷层内平均应力、平均应变能密度及总应变能随涂层厚度的演变规律,发现：在表面裂纹形成前,陶瓷层内平均应力和平均应变能密度不随其厚度改变,而总应变能随其厚度线性增大,这说明陶瓷层内总应变能是衡量能否在涂层中形成表面裂纹的关键参量;在其他喷涂参数不变的情况下,预热温度越高,表面裂纹越容易形成。本文阐明了预热温度对表面裂纹形成的影响,为实现高热障和高应变容限热障涂层的可控制备提供了理论指导。     

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。     

可重复使用热防护系统防热结构及材料的研究现状

在对国外有关各类航天器的防热结构和材料进行广泛调研的基础上，对陶瓷瓦、柔性毡、盖板等防热结构及材料进行了介绍，并总结了防热结构和防热材料的发展现状及趋势。     

陶瓷基复合材料防热系统

本文介绍陶瓷基复合材料防热系统。这种防热系统有可能适用于高级热防护系统,即:在空气中,耐1600℃以上高温,并具有抗全天候的能力。这种方案包括陶瓷纤维增强碳化硅桁架结构和面板组成。文中介绍几种结构方案。     

Al2O3/hBN自润滑复合材料的制备及显微结构分析

以Al2O3为陶瓷基体,hBN为固润滑组元添加剂,在N2保护下烧成,制得了Al2O3/hBN自润滑复合陶瓷,通过SEM、EDS、XRD等分析探讨了固润滑组元的引入量、添加助熔剂及常压和热压两种烧成条件下材料显微结构的变化。结果表明,hBN引入量为10%时已有足够的量均匀分散在基体中;相同烧成温度下,热压过程中施加的压力可以破坏hBN的卡片房式结构,伴随液相的出现有利于hBN的定向排列,获得了结构致密的自润滑复合陶瓷材料。     

Al2O3(YAG)/LaPO4层状陶瓷复合材料研究

选择Al2O3(YAG)作为基体片层材料,LaPO4作为界面层材料,采用凝胶注模成型技术制备出基体层材料的坯片,然后在基体层坯片上采用浸渍或喷涂工艺附着界面层材料,最后将坯片叠置于模具中热压烧结.制备的陶瓷复合材料微观结构均匀,基体片层厚度为110-150μm,界面层厚度为10～30μm,实测层厚比为11.重点研究工艺参数及界面层成分对层状陶瓷复合材料室温性能的影响.结果表明,氧化物基层状陶瓷复合材料的抗弯强度比基体材料略有下降,但室温断裂韧性达到了13.52MPa·m1/2,是基体材料断裂韧性的3倍.对比氧化物基层状陶瓷复合材料与基体材料在断裂过程中裂纹扩展路径的差异.     

电子束物理气相沉积Nd2O3和Yb2O3共掺杂的YSZ热障涂层研究

采用固相烧结的方法制备了10 mol% Nd2O3和Yb2O3共掺杂的YSZ(3.5 mol% Y2O3部分稳定的ZrO2)材料.掺杂材料为t/t'相,而8YSZ则为t/t'与m的混合相.测试结果表明:1 100 ℃时掺杂材料的热扩散系数为4.10×10-7 m2/s,而8YSZ(8 wt.% Y2O3部分稳定的ZrO2)的则为6.41×10-7 m2/s.在200～1 300 ℃温度范围内,掺杂材料的比热容均大大低于8YSZ.电子束物理气相沉积的掺杂材料的热障涂层陶瓷层为树枝晶结构.1 100 ℃下,掺杂材料的热障涂层热循环寿命为350～500 h,而同等条件下8YSZ涂层仅为160～200 h.     

覆膜陶瓷粉末的选择性激光烧结工艺研究及参数优化

研究了选择性激光烧结成形制造过程中激光功率密度、扫描速度、预热温度和激光束扫描间距对烧结成形件致密度的影响,通过正交试验及方差分析,判定了各工艺参数的显著性及其重要性顺序,并给出覆膜陶瓷粉末烧结的最佳工艺参数。     

热障涂层表面裂纹水浸超声检测

为有效检测热障涂层(TBCs)表面裂纹,进行了热障涂层表面裂纹水浸超声检测技术的应用研究。以常用的大气等离子喷涂(APS)热障涂层作为试验材料,采用水浸超声检测回波声程差和C扫描图像对不同深度、宽度和长度的热障涂层表面裂纹进行了表征。结果表明:热障涂层基体材料对热障涂层表面裂纹的检测效果无明显影响;通过优化检测参数和合理选用仪器探头,利用水浸超声方法可实现对热障涂层表面深度为0.1 mm、长度为2 mm裂纹的有效检测;水浸超声检测技术可以获得裂纹的长度、深度参数,是解决热障涂层表面裂纹检测问题的有效方法。      

AHPSO-SVM预测超声内圆磨削ZTA陶瓷的边界损伤

为解决普通加工方式易出现工程陶瓷边缘碎裂的问题,本文对超声内圆磨削工程陶瓷边界损伤预测系统进行了研究。在35 kHz轴向超声磨削与普通磨削两种条件下独立进行试验,运用支持向量机研究工艺参数与边界损伤影响规律,采用改进的粒子群算法优化支持向量机,建立采用混合核函数的AHPSO-SVM预测模型。研究结果表明,超声激励下试件边界损伤降幅为10.05%～21.23%,AHPSO-SVM预测模型MSE为0.378 4、平均相对误差为1.369 0%、30次适应度值标准差为0.020 2。相比于普通磨削,超声磨削可使ZTA陶瓷边界损伤值显著降低;建立的AHPSO-SVM模型具有较好的学习能力、泛化性能与良好的稳定性。