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。

面向先进热障涂层的陶瓷材料研究进展

热障涂层利用陶瓷层的隔热性和抗腐蚀性可以有效保护航空发动机或陆用燃气轮机中热端部件的合金基体。然而,不断追求更高的服役温度会导致表面涂层的降解、分层和过早失效。为了满足未来先进热障涂层系统的服役需求,必须开发新的陶瓷材料。本文综述了近年来先进热障涂层陶瓷材料的研究进展,包括氧化钇部分稳定氧化锆(Yttria partially stabilized zirconia,YSZ)、A_(2)B_(2)O_(7)型化合物、稀土钽酸盐、稀土磷酸盐、高熵稀土陶瓷材料、磁铅石型六铝酸盐氧化物和自愈合材料,分别归纳了它们的性质和性能,总结各种材料现阶段发展的优势和不足,最后展望了热障涂层材料的发展方向,为开发新的热障涂层提供指导。

氰酸酯基碳纤维复合材料湿膨胀系数试验研究

湿膨胀性能是高尺寸稳定性结构材料的关键性能之一,湿膨胀系数(CME)是度量材料湿膨胀特性的主要指标。但目前针对复合材料的湿膨胀系数尚未形成标准的测量方法。文章针对氰酸酯基碳纤维复合材料的湿膨胀系数测量开展试验研究。首先,对比分析烘干后吸湿法和湿饱和后除湿法两种静态测量方法,结果表明湿饱和后除湿法的测试效率更高。随后,应用湿饱和后除湿法对M55J/氰酸酯和T700/氰酸酯两类碳纤维材料的典型铺层试验件开展湿膨胀系数的测量和分析。试验结果表明:同种材料单向层厚度更薄的试验件具有更低的CME;同种铺层角度和铺层厚度的多向层试验件中,M55J具有更低的CME;采用准各向同性铺层形式[0°/+45°/-45°/90°]_(S)的试验件较([0/+60/-60]_(S))_(2)的具有更低的CME。以上研究可为氰酸酯基碳纤维复合材料的湿膨胀特性研究和尺寸稳定性结构的湿变形分析提供参考。

热循环对TC4钛合金组织和机械性能的影响

对淬火态和时效态的ＴＣ４钛合金在－１９６－３５０℃进行了热循环试验，并测定了合金热循环前后的机械性能．结果表明：经热循环后，合金的塑性下降；时效态的合金，强度变化较小．而淬火态的合金，强度先显著上升，经３０００次热循环后，合金的强度又有所下降．用透射电镜分析了合金热循环前后的组织，讨论了热循环对显微组织和机械性能的影响．

循环温度场作用下空冷态TC4合金的拉伸性能和显微组织的变化

对１０２０、９５０和９００℃空冷的ＴＣ４合金在－１９６～３５０℃间进行了热循环试验，测定了热循环前后的拉伸性能。结果表明：经１０００次热循环后强度上升，塑性下降，合金中的位错密度增大，形变孪晶的数量增多，其中９５０℃空冷合金的强度上升幅度最大。

淬火态TC4合金热循环硬化行为及断口特征

在７７～６２３Ｋ对淬火态ＴＣ４合金进行了热循环试验，测定了合金热循环后的硬度，并与６２３Ｋ时效合金的硬度进行了对比；还观察了拉伸试样断口形貌。结果表明：热应力能加速亚稳相的分解，使合金中的位错密度升高，层错和形变孪晶的数量增多；循环温度场作用下淬火态合金拉伸试样断口由韧窝型断裂向韧窝和撕裂棱混合型断裂转变。

循环温度场作用下时效态TC4合金的拉伸性能及组织

对时效状态不同的TC4合金在77～623K间进行了热循环试验，测定了热循环前后的拉伸性能结果表明：热循环1000次后，近峰时效态合金的强度下降，过时效态合金的强度变化最小，而塑性均显著下降.合金中的位错密度、层错和形变李晶的数量增多.在热循环过程中α格内激活的位错以型为主，激活的李晶以｛1011｝型为主.

加热温度对 TC4 钛合金的空冷组织及热疲劳抗力的影响

对经不同温度加热随后空冷的ＴＣ４钛合金在－１９６～３５０℃范围内进行了外约束型热疲劳试验。结果表明：经单相区加热的合金，其热疲劳裂纹易于沿原β相晶界处萌生，以穿晶的方式扩展，对热疲劳裂纹萌生抗力较低。而经９５０℃加热的合金，其热疲劳裂纹易于沿初生α相与基体（条形的α＋β相）的界面处萌生，裂纹易于切过条形的α＋β相扩展，其热疲劳裂纹萌生抗力最高。经９００℃加热的合金，其热疲劳裂纹易于沿初生α相与基体的界面处萌生并沿其扩展。

热循环对TC4钛合金组织和机械性能的影响

对淬火态和时效态的ＴＣ４钛合金在－１９６－３５０℃进行了热循环试验，并测定了合金热循环前后的机械性能。结果表明：经热循环后，合金的塑性下降，时效态的合金，强度变化较小，而淬火态的合金，强度先显著上升，经３０００次热循环后，合金的强度又有所下降，用透射电镜分析了合金热循环前后的组织，讨论了热循环对显微组织和机械性能的影响。

冷热循环处理对SiCp/2024Al尺寸稳定性的影响

研究了冷热循环处理对SiCp2024Al复合材料尺寸稳定性的影响。结果表明,冷热循环处理可以降低复合材料中的残余应力,促进基体合金的时效析出,从而提高了复合材料在交变温度场下的尺寸稳定性。冷热循环处理的下限温度越低,即上下限温差越大,降低残余应力效果越显著,对时效析出的促进作用越大,复合材料的尺寸稳定性越好。

热处理过程中SiC_P/2024Al复合材料的热应力分析

为研究热处理过程中SiCP/2024Al复合材料的热应力的变化规律,及热处理工艺对SiCP/2024Al复合材料热残余应力的影响,利用Marc有限元软件对淬火和冷热循环热处理过程中的SiCP/2024Al复合材料的热应力进行了数值模拟.研究结果表明:热处理过程中,颗粒和基体的界面附近会产生很大的热应力场,并且在SiC颗粒的尖角处产生热应力集中;经淬火处理后的SiCP/2024Al复合材料的热残余应力与基体的屈服强度接近,但经过冷热循环处理后的SiCP/2024Al复合材料中的热残余应力明显降低.

热循环对TC4合金室温和低温拉伸性能的影响

采用热机械循环试验装置、材料万能实验机、金相显微镜和扫描电镜考察了经0,100,200和500周次热循环处理的TC4(Ti-6Al-4V)合金在室温(293K)和低温(173K、123K、78K)的拉伸性能及断裂行为。结果表明,随循环次数的增加,TC4合金的室温强度和低温强度升高,低温伸长率略有升高,但500次循环试样在78K拉伸时应力有跃升现象且伸长率显著上升;各种循环和测试条件下,TC4合金的拉伸断裂均呈现典型的塑性特征。

热循环下太阳电池板单元结构热应力演变规律研究

利用MSC.Marc大型通用软件研究了热循环条件下太阳电池板单元结构热应力分布及演变规律。结果表明:被粘接层正应力极大值位于结构中点,极小值出现在结构两端;胶层剪切应力极大值位于结构两端,极小值出现在中点;聚酰亚胺薄膜层取得太阳电池板单元结构最大正应力,粘接聚酰亚胺薄膜与碳纤维复合材料的硅橡胶层取得结构最大剪切应力;结构在低温保温阶段的最大正应力及最大剪切应力远大于高温保温阶段的最大应力;太阳电池板单元结构的最大应力值随热循环次数的增加而增加。

低温对时效态TC4合金拉伸性能的影响

在77～300K温度范围内对不同时效状态TC4合金进行拉伸试验,研究了低温对时效态合金拉伸性能的影响.时效温度取813K,时效时间分别为0 5h、7h、60h.试验结果表明:在室温下,时效0 5h合金与退火态合金相比强度明显提高,延伸率略有降低;时效时间大于0 5h时,随时效时间的延长,合金的强度与延伸率均下降.随试验温度的降低,3种时效态合金的强度都单调增加,延伸率先是下降,但在77K时又略有升高.TEM观察表明,随着试验温度的降低,拉伸断口附近位错分布不均匀性增大.

热循环作用下太阳电池板单元结构寿命预测

试验测试了热循环过程中太阳电池板单元结构各被粘接层的热应变值,结合有限元MSC.Marc模拟的结果提出了以热应变极大值或残余热应变作为热循环条件下胶接结构的损伤参量,建立了预测太阳电池板寿命的数学模型。

真空热循环作用下LF6合金焊接接头的拉伸性能和微观组织

采用精密多功能低温静载材料实验机、热循环试验装置、透射电镜和扫描电镜 ,系统研究了真空热循环条件下LF6合金焊接接头的拉伸性能和微观组织 ,分析讨论了真空热循环对LF6合金焊接接头的影响规律。研究结果表明 ,在循环 30 0周次范围内 ,真空热循环可改善LF6合金焊接接头的拉伸性能 ,使其强度和塑性均得到提高。热循环对焊接接头拉伸性能具有影响 ,并同循环次数有关。初始循环时 ,由于位错不断增殖 ,使得LF6合金焊接接头的强度和塑性增加较快 ;经热循环 70周次后 ,接头的强度和塑性均达到最高值 ;循环次数继续增加 ,强度和塑性开始下降 ,这可能与晶内位错密度降低、晶界处形成位错墙有关。

材料热膨胀系数对太阳电池板应力的影响

文章利用解析法研究了材料热膨胀系数对温度场中太阳电池板最大应力的影响。分析结果表明: 聚酰亚胺及与其相邻的硅橡胶中存在最大拉压及切应力,选用较低热膨胀系数的聚酰亚胺薄膜可以显著降低结构最大应力值。

聚酰亚胺薄膜热膨胀系数的不稳定性研究

测量了聚酰亚胺薄膜在冷热循环过程中各温度点的热膨胀系数。结果表明:聚酰亚胺薄膜的热膨胀系数具有不稳定性。

热循环温度场作用下1420Al-Li合金焊缝组织和拉伸性能的演变规律

利用外约束型模拟空间热循环温度场试验设备对1420Al-Li合金焊缝进行了热循环（77～393K）试验，测量了热循环前后焊缝的拉伸性能，并观察了热循环前后焊缝的显微组织，讨论了热循环对焊缝组织和拉伸性能的影响。试验结果表明，经1000次或3000次热循环后，焊缝的强度和延伸率显著降低。热应力使焊缝显微组织产生损伤，主要表现为从晶界处向晶内发射位错，在晶界处形成位错塞积群，晶粒内位错密度逐渐升高。随着热循环次数的增加，组织损伤的不断累积导致在晶界处产生的应力集中程度增大，这是导致合金焊缝强度和延伸率下降的主要原因。

热循环对LF6铝合金焊接接头断裂机理的影响

通过模拟空间热循环试验,研究了热循环因素对LF6铝合金焊接接头断裂机理的影响。结果表明,一定时间的热循环会造成LF6铝合金焊接接头断裂机理的改变,由未经热循环时的纯剪切型断裂,逐渐过渡成微孔聚集型断裂。这是由于焊接热影响区中的聚集、析出第二相粒子的热膨胀系数与铝合金母材相差很大,热循环造成了基体与第二相之间的脱离,导致接头性能劣化和断裂机理的改变。