热障涂层的界面形貌对TGO层生长行为的作用机制

通过对陶瓷层/粘接层界面应力和热生长氧化物(thermally grown oxides,TGO)层的生长规律分析,研究涂层界面凸起对TGO生长行为的作用机制。结果表明:TGO在陶瓷层/粘接层界面凸起区域的生长速率高于其他区域;由ANSYS有限元软件应力分析可知,随着界面粗糙度的增加(10μm增至20μm),涂层的界面应力增加(185 MPa增到406 MPa);TGO层的厚度增加(1.6μm增至9.3μm)同样会使界面应力增加(142 MPa增大到574 MPa);此外,在高温氧化过程中,陶瓷层/粘接层界面凸起区域主要表现为拉应力,凹陷区域为压应力;拉应力能够促进TGO层的快速生长,压应力则会抑制TGO的生长速率;在保证涂层有效结合强度的前提下,降低粘接层的表面粗糙度,能够有利于降低涂层的界面应力以及减缓TGO的生长速率,从而提高热障涂层高温稳定性。     

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。     

两种MCrAlY涂层/DD6合金的循环氧化和互扩散行为

在DD6单晶高温合金基体上,利用电子束物理气相沉积(EB-PVD)技术制备Ni Co Cr Al Y涂层,采用低压等离子喷涂(LPPS)技术制备Ni Co Cr Al YHf Si涂层,通过扫描电镜(SEM)、X射线能谱(EDS)、X射线衍射(XRD)、电子探针显微分析(EPMA)等手段研究了在1100℃下的热循环氧化和互扩散行为。结果表明,涂层显著提高了DD6基体的抗氧化能力,经100h的循环氧化后,涂层表面氧化层主要成分仍为α-Al2O3,依然发挥着较好的抗氧化保护作用。这两种涂层与基体之间形成了互扩散区(IDZ)和二次反应区(SRZ),IDZ和SRZ的厚度均随着循环氧化时间延长而增大;SRZ中析出的棒状与颗粒状的拓扑密堆相(TCP)含有W、Re、Mo等高熔点元素,其质量分数分别高达37.51%、14.22%和10.61%,TCP含量随着氧化时间而增多。活性元素Si、Hf对涂层中富Cr相和TGO的增长速率均有一定的抑制作用。     

石墨含量对PEEK基复合涂层性能的影响

利用石墨和聚四氟乙烯(PTFE)对聚醚醚酮(PEEK)进行混杂改性,控制PTFE和PEEK的质量比不变,通过冷压烧结的方法在不锈钢表面制备不同石墨质量分数的PEEK基复合涂层,研究石墨含量对涂层力学和摩擦性能的影响。结果表明:随着石墨质量分数的增多,PEEK基复合涂层的结晶度逐渐下降,涂层的硬度先增高后降低,摩擦因数不断降低,磨损率先降低后上升。在石墨质量分数为4%时,硬度最高21.78HV,摩擦因数为0.0461,磨损率最低为2.06×10~(-6)mm~3/(N·m),这与之前的研究相比,涂层的耐磨性得到大幅提高。但是过高的石墨质量分数会使分子链柔顺性下降、链段运动降低,涂层的耐磨性大大降低。     

再生冷却推力室热障涂层系统的热结构分析

为了设计和优化适用于液体火箭发动机推力室的热障涂层,应用ANSYS的热-结构分析功能,对再生冷却推力室-热障涂层系统进行了热结构有限元分析,得到在不同涂层覆盖下,推力室壁中的温度场和应变场,并通过对热障涂层中应变场的分析,研究不同涂层发生分层剥落的关键位置以及主要驱动力。结果表明,陶瓷层厚度较大的YSZ+Ni Cr Al Y涂层拥有更优异的性能,使推力室壁在热试阶段的最大应变量减少约36.1%;工作循环中,涂层与推力室壁的接触面上会产生较大的应变量,最终有可能导致涂层剥落失效;粘结层能缓解涂层与推力室壁间的热膨胀系数不匹配,使陶瓷层在热试阶段的最大应变量减少约80%。     

氧化层非均匀增长对热障涂层应力分布的影响

利用扫描电镜对不同氧化程度的热障涂层(TBCs)进行观察,分析发现热生长氧化层(TGO)各部位并非均匀增长。假设热生长氧化层的形状为正弦曲线,用统计方法处理扫描电镜图片可以得到热生长氧化层的基本几何参数。由此建立单波形二维轴对称有限元模型,计算并分析了非均匀增长模型的应力状况。结果表明:相同温度下,非均匀增长模型的轴向、剪切和Mises应力分量的变化趋势与均匀增长模型的对应趋势一致;但是非均匀增长模型的各个应力分量最大值均小于均匀增长模型的应力分量最大值。      

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。      

划痕法表征TD处理制备的VC涂层界面结合强度

 为了测定碳化钒(VC)涂层与基体之间的结合强度,分析涂层与基体的结合机制,采用热扩散(TD)处理在冷作模具钢Cr12MoV表面制备了VC涂层,通过扫描电镜(SEM)观察了其表面与界面形貌,利用能谱议(EDS)分析了结合界面的V、C元素的分布,用划痕法测定了涂层与基体的界面结合强度,并对涂层失效机理进行了分析.结果表明,经TD处理制备的VC涂层与基体结合界面为成分梯度界面,二者结合面为成分含量呈梯度变化的过渡层,V元素含量从表面到基体逐渐下降,而C元素含量逐渐上升;其结合界面处化学元素相互结合,形成冶金结合,测得涂层与基体的结合强度平均值为45.7 N;涂层失效形式为界面层的压裂,其结合强度主要与VC涂层残余压应力有关.     

热障涂层喷涂质量微焦点CT检测

采用微焦点X射线源对热障涂层样品进行了高分辨率X射线成像研究,采用多尺度对比度增强算法提高了热障涂层与基体之间的对比度.X射线图像显示热障涂层各处厚度差异较大,热障涂层内部可能存在大量孔隙.通过微焦点计算机层析成像(CT)对样品进行了高分辨率CT扫描与重建,得到了样品的CT重建图像.从热障涂层CT图像观察到热障涂层内部存在大量孔隙,且不同层孔隙尺寸、数量不同.结合3个坐标方向的切片图像分析了热障涂层深度方向的热障涂层厚度,得到了热障涂层厚度的二维分布,测量得到热障涂层平均厚度约为40μm.对沿热障涂层深度方向850~1131层切片图像,利用可视化软件VGstudio MAX得到了热障涂层内部孔隙三维分布.研究结果表明:微焦点CT可用于热障涂层制备工艺质量检测.      

飞机典型结构件防护涂层耐腐蚀试验对比研究

基于2种涂层的飞机典型结构模拟试验件加速腐蚀及老化试验,得到涂层光泽度和色差随加速腐蚀时间的变化规律。利用灰色关联分析方法,对影响涂层腐蚀损伤的9个评定指标进行量化比较,计算出2种涂层防护体系评价指标与参考标准之间的关联度大小,并对2种涂层防护体系进行了综合评定。结果表明,2种涂层光泽度和色差变化均随加速腐蚀时间增加而增大,TB06-9涂层较H06-076涂层变化更明显,H06-076涂层的防护效果优于TB06-9涂层。