高熵稀土铪酸盐热障/环境障涂层材料的制备与性能研究

综合性能优异的热障/环境障涂层是先进航空发动机涡轮叶片等高温部件的关键热防护材料。本研究通过两步烧结法制备了高熵稀土铪酸盐(La_(0.2)Gd_(0.2)Ho_(0.2)Er_(0.2)Tm_(0.2))_(4)Hf_(3)O_(12)和(Yb_(0.2)Lu_(0.2)Ho_(0.2)Er_(0.2)Tm_(0.2))_(4)Hf_(3)O_(12),系统研究了两种材料的力学、热学性能和CMAS腐蚀性能。多主元高熵材料具有较低的热膨胀系数和热导率,其中(Yb_(0.2)Lu_(0.2)Ho_(0.2)Er_(0.2)Tm_(0.2))_(4)Hf_(3)O_(12)表现出比(La_(0.2)Gd_(0.2)Ho_(0.2)Er_(0.2)Tm_(0.2))_(4)Hf_(3)O_(12)更高的硬度和断裂韧性。1300℃下CMAS腐蚀结果表明,(La_(0.2)Gd_(0.2)Ho_(0.2)Er_(0.2)Tm_(0.2))_(4)Hf_(3)O_(12)与CMAS的反应速率快,更容易析出磷灰石,对阻止CMAS迅速渗透是有益的。高熵稀土铪酸盐材料具有优异的综合性能,在热障/环境障涂层领域具有良好的应用前景。

高熵稀土盐类热障/环境障陶瓷涂层体系研究进展

高熵陶瓷是近年来新型陶瓷研究领域的一大热点,在航空工业领域有着巨大的发展和应用前景。基于高熵策略设计的高熵氧化物陶瓷涂层可以较好地解决当前热障/环境障涂层在高温下服役寿命、抗氧化性、抗CMAS(钙镁铝硅氧化物)腐蚀等关键性能不足的问题。综述了近几年不同体系的五元高熵稀土盐类材料在热障/环境障涂层领域作为候补材料的研究进展,总结了该类材料在结构、性能及主要应用领域方面的特点。最后展望了高熵稀土盐类陶瓷涂层的发展方向,为新材料体系的进一步研发和关键性能优化提供思路。

稀土盐类热障/环境障涂层研究现状

随着航空航天等领域热端部件表面热障/环境障涂层的服役环境越来越恶劣,对涂层的性能要求显著提高,作为目前广泛应用的Y_(2)O_(3)部分稳定的ZrO_(2)(YSZ)材料,已经不能完全满足使用要求,所以开发新型兼具优异性能可用于高温环境的涂层材料日益重要。稀土盐类材料作为新型热障/环境障涂层材料,因其复杂的结构、低热导率和高热膨胀系数等优点,而被国内外学者广泛关注和研究。因此,综述了几种稀土盐类涂层材料的晶体结构、力学性能、热学性能,展望其发展前景。

先进航空发动机高温功能涂层研究进展

航空发动机是飞机的“心脏”。先进航空发动机正在向高推重比、高效率、低油耗和长寿命方向发展。以热障涂层、热/环境障复合涂层、高温隐身涂层等为代表的高温功能涂层应用于航空发动机关键热端部件,起着提升发动机服役性能、服役寿命和安全可靠性的重要作用。本文以热障涂层、热/环境障复合涂层、高温隐身涂层等为例,系统概述了近年来国内外以及北京航空航天大学在高温功能涂层材料设计、涂层制备科学与技术、涂层性能评价表征等方面的研究进展,并展望了先进航空发动机新型高温功能涂层所面临的挑战和发展动向。未来先进高温功能涂层的研究重点将集中在多功能复合涂层、极端环境适应性和工艺适配性等方面。

高熵陶瓷的制备及在热/环境障涂层中的应用现状

目前高熵陶瓷的研究与高熵合金相比尚处于起步阶段,但已开发并制备出多种体系的高熵陶瓷,其具有独特结构和优异性能,应用前景非常广阔。高熵陶瓷材料以其良好的相稳定性、与硅基陶瓷的热膨胀系数很好的匹配性,以及优异的耐水蒸气腐蚀性能而广泛应用于热障涂层,而环境障涂层及热环境障涂层也成为近几年热防护涂层的研究热点。基于此,总结了目前关于高熵陶瓷材料所采用的计算机模拟研究方法、合成方法和烧结工艺,介绍了目前高熵陶瓷材料在热/环境障涂层中的应用现状和不足之处。

硅基聚合物耐高温衍生陶瓷涂层制备与应用研究进展

随着航空航天领域的不断发展,金属以及碳材料等高温结构部件的服役条件日益苛刻。通过恰当的工艺在高温结构部件表面制备硅基陶瓷涂层并赋予其特殊性能,可有效提高高温结构部件的使用寿命。近年来,聚合物前驱体转化陶瓷涂层逐渐成为一种无机涂层制备的新方法。该方法具有制备工艺简便、涂层功能拓展性强等特点,得到了研究者越来越多的关注。本文主要综述了硅基聚合物前驱体转化陶瓷涂层的研究进展。首先从聚合物陶瓷涂层的制备展开,简要介绍了硅基聚合物前驱体、填料种类以及涂覆工艺和裂解方式对涂层结构以及性能的影响。随后,重点讨论了聚合物前驱体转化陶瓷涂层在耐高温防护领域,包括抗氧化、环境障、热障涂层的应用进展。最后,指出了聚合物陶瓷涂层在涂层性能提升及缺陷控制等方面的问题,并对其发展方向进行了展望,例如通过在硅基前驱体中引入Hf,Zr,Ta等超高温元素,提高陶瓷涂层的耐温等级,以及发展高效的陶瓷化新技术,从而提高陶瓷转化效率及涂层适用性范围等。

Si/(Yb_(1-x)Y_(x))_(2)Si_(2)O_(7)/LaMgAl_(11)O_(19)热/环境障涂层的高温性能研究

采用等离子喷涂法在碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料(SiC_(f)/SiC-CMCs)表面制备了Si/(Yb_(1-x)Y_(x))_(2)Si_(2)O_(7)/LaMgAl_(11)O_(19)(x=0、0.5)热/环境障涂层(T/EBCs)体系。通过SEM、EDS和XRD等测试方法研究了不同组成的T/EBCs体系在1300℃下的热循环性能和抗水氧腐蚀性能,进而探讨了热循环失效和水氧腐蚀失效机理。结果表明,在T/EBCs体系中,Si/Yb_(2)Si_(2)O_(7)/LMA涂层体系的热循环寿命为403次,抗水氧腐蚀性能为50 h,Si/YbYSi_(2)O_(7)/LMA体系的热循环寿命降低至277次,而水氧腐蚀性能提高至80 h。YbYSi_(2)O_(7)与LMA之间较大的热失配应力以及层间含Al化合物或固溶体的生成是Si/YbYSi_(2)O_(7)/LMA热循环寿命降低的主要原因;YbYSi_(2)O_(7)-EBCs层较少的杂质氧化物减少了与水反应生成挥发性物质的几率,提高了Si/YbYSi_(2)O_(7)/LMA的抗水氧腐蚀能力。

高熵陶瓷在热障涂层与环境障涂层中的研究进展

热障涂层(TBCs)和环境障涂层(EBCs)是航空发动机的关键技术之一。TBCs可以大幅提高发动机高温合金热端部件的工作温度,EBCs可以有效保护发动机陶瓷基复合材料高温部件。高熵陶瓷(HECs)一般指的是多种组分(5种或以上)以等原子比或接近等原子比形成的固溶体,其性能具有“鸡尾酒”效应,展现出常规陶瓷材料不具备的优异性能。HECs概念被提出以来已经在很多领域被广泛研究,成为陶瓷材料研究领域的热点。在TBCs与EBCs领域,研究者们对HECs也开展了大量的研究工作,取得了很多研究成果。对国内外已经报道可以用于TBCs和EBCs的新型HECs材料进行了分类总结,介绍了它们的制备方法、晶体结构、热导率、热膨胀系数、力学性能、环境沉积物(CMAS)腐蚀行为以及HECs涂层的制备与性能,并对HECs在TBCs与EBCs中的发展前景进行了展望。

等离子喷涂-物理气相沉积防护涂层及其失效机理研究进展

防护涂层在航空发动机和燃气涡轮发动机免受水氧腐蚀和盐雾侵蚀、耐高温、抗冲刷和服役寿命方面发挥着重要的作用。等离子喷涂-物理气相沉积(PS-PVD)技术以其大功率、喷射范围广、能够使粉末原料以气相甚至离子化和非视线沉积特性等特点被广泛应用在热/环境障涂层制备领域,形成的涂层具有沉积效率高、孔隙率较高、热导率低、应变容限高等特点。首先,对PS-PVD热障涂层的表面形貌、柱状晶特点和等离子射流特性进行了探讨。然后,讨论了PS-PVD YSZ热障涂层表面镀铝改性对涂层抗CMAS侵蚀、减少孔隙和裂纹、TGO的生成和提高热循环寿命方面的重要作用,结果表明表面镀铝能显著减少涂层表面孔隙、凹坑、微裂纹和熔融盐对于热障涂层的不利影响。其次,简要概述了近年来SiCf/SiC CMCs代替镍基高温合金在航空发动机基体上抗高温高压和快速失效方面发挥的重要作用。SiCf/SiC CMCs与T/EBCs的结合,有效延长了航空发动机的使用寿命,是我国航空事业的又一次重大突破。此外,重点介绍了PS-PVD非视线沉积特性和涂层阴影效应在涂层沉积方面这一特色,总结了TGO、残余应力、热膨胀失配、微裂纹和粗糙度是涂层失效的主要影响因素。最后,对PS-PVD技术未来在制备热/环境障涂层方面的前景进行了展望。

等离子喷涂-物理气相沉积稀土高温功能涂层研究进展

稀土素有工业"维生素"之称,是重要的战略性物资,其在改进材料性能,尤其是高温功能涂层性能方面有着不可替代的作用.等离子喷涂-物理气相沉积(PS-PVD)技术通过粉末材料和工艺调整,可实现材料的气、液、固多相沉积,从而获得不同结构的功能涂层,如柱状热障涂层、高致密电解质薄层等,是当前表面工程的研究热点.总结了广东省新材料研究在稀土高温功能涂层材料以及采用PS-PVD沉积热障涂层、环境障涂层、混合导体透氧膜等方面的研究进展,指出稀土高温功能涂层材料在高端武器装备、新能源等中的重要性,强调我国应该加强精加工、投入开发高品质稀土高温功能涂层材料.

高熵碳化物材料研究进展

高熵陶瓷是近年来得到快速发展的新型材料,吸引了许多研究者的关注,具有的高熵效应赋予了其优异的性能。其中高熵碳化物具有优异的硬度、断裂韧性、隔热性能与抗腐蚀性能,在环境障涂层、热障涂层等领域具有广阔的应用前景。本文详细介绍了高熵碳化物的预测理论、合成方法,同时对其抗氧化性能、力学性能、耐腐蚀性能以及隔热性能等方面进行了综述,指出了高熵碳化物在制备应用方面面临的问题,最后展望了高熵碳化物的发展方向。

航空表面涂层技术的应用与发展

航空表面涂层技术是航空制造技术的重要组成部分,涂层材料与涂层制造技术创新对提高航空零部件产品性能、降低能源消耗、提升产品可靠性及服役寿命具有重要意义。主要对涉及航空工业领域热障涂层、复合材料表面环境障涂层、高温可磨耗封严涂层及纳米涂层技术的应用现状与研究进展进行了阐述。

等离子喷涂-物理气相沉积高温防护涂层研究进展

等离子喷涂-物理气相沉积(PS-PVD)是基于低压等离子喷涂发展起来的一种新型多功能薄膜及涂层制备技术。由于其独特的等离子射流特征,可实现气液固多相涂层沉积,获得非视线沉积。文中首先介绍了国内外PS-PVD技术等离子体数值模拟和在线检测技术的研究现状,其次讨论了PS-PVD羽-柱状结构热障涂层的形成机制及与传统热障涂层在热导率、抗冲蚀等性能方面的差异,阐述了PS-PVD技术制备环境障涂层的研究进展,最后对PS-PVD技术沉积高温防护涂层的优势和存在的问题进行了总结。

稀土双硅酸盐热学性能的基因与协调机制

在未来航空发动机先进技术中,以硅基陶瓷复合材料高温结构部件为基体,发展先进的多功能热障/环境障一体化涂层(TEBC)以实现有效防护是一个重要的研究方向。TEBC材料的发展和优化需满足低热导率(κL)和合适的热膨胀系数(CTE),以提高涂层体系的隔热性能,并降低热应力。因此,深入理解TEBC候选材料热传导和热膨胀行为的"基因"和协调机制是本领域的关键问题。采用第一性原理结合晶格动力学方法研究了稀土双硅酸盐β-,γ-和δ-RE2Si2O7(RE=Y,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Lu)多晶型材料的晶体结构、键合非均匀性、声子色散关系及非简谐性特征,计算了材料本征晶格热导率和热膨胀系数,揭示了控制材料低热导率和热膨胀系数大小的"基因"。研究发现,RE2Si2O7多晶型材料具有明显的低频光学-声学声子耦合效应,且低频声子较大的非简谐性是材料低热导率的根源。同时,晶格中Si-O-Si"桥"结构的线性或弯折形态导致了低频声子非简谐性的"正负"差异及体模量差异,是决定β-和γ-RE2Si2O7热膨胀系数远低于δ-RE2Si2O7的关键因素。研究结果阐明了低频声子非简谐性的"大小"和"正负"特征对RE2Si2O7多晶型材料热学性能协调机制的关键作用,为实现TEBC热学性能的优化设计提供了指导。

等离子喷涂用纳米结构Gd_(2)Zr_(2)O_(7)喂料的制备与性能

目的稀土锆酸盐具有低热导率、优异的抗烧结性能和相稳定性,是下一代热障涂层和环境障涂层的理想材料。通过纳米粉体再造粒技术制备出等离子喷涂用高性能纳米结构球形喂料Gd_(2)Zr_(2)O_(7),以满足下一代热障涂层和环境障涂层的需求。方法以Gd_(2)O_(3)与ZrO_(2)粉体为原材料,采用纳米粉体再造粒技术制备出可等离子喷涂用的纳米结构Gd_(2)Zr_(2)O_(7)喂料。利用SEM、XRD研究了固相烧结温度和时间对Gd_(2)Zr_(2)O_(7)含量和晶粒尺寸的影响,分析了纳米结构Gd_(2)Zr_(2)O_(7)喂料在不同纳米粉体再造粒阶段的微观形貌和相组成。同时,测定了纳米结构Gd_(2)Zr_(2)O_(7)喂料的流动性、松装密度和振实密度。结果纳米粉体再造粒技术可以制备出等离子喷涂用纳米结构Gd_(2)Zr_(2)O_(7)喂料,喂料内部结构致密,球形度好,粒径为10~50μm。在纳米粉体再造粒过程中,晶粒尺寸会随着烧结温度的升高而增大。在1300℃烧结2 h生成的Gd_(2)Zr_(2)O_(7)含量高,且晶粒尺寸小,为最优固相烧结工艺。等离子球化处理能有效地改善喂料的流动性。等离子球化处理后的喂料松装密度为2.09 g/cm^(3),振实密度为3.26 g/cm^(3),流动性为22.3 s/(50 g)。结论采用纳米粉体再造粒技术成功制备出纳米结构Gd_(2)Zr_(2)O_(7)粉体喂料。该喂料颗粒内部结构致密,外部表面光滑,球形度好,适合等离子喷涂,有望成为下一代热障涂层和环境障涂层。