孔隙结构对大气等离子喷涂热障涂层抗侵蚀性能影响的数值研究

为探索涂层内部缺陷结构对大气等离子喷涂热障涂层(APS-TBCs)抗冲蚀的影响,建立了含有大量随机分布圆形孔隙的大气等离子热障涂层模型。基于显式动力学算法并结合脆性断裂准则,模拟了粒子冲击作用下陶瓷层内裂纹扩展、冲蚀破碎等失效现象,获取了陶瓷层内孔隙半径(0.1~5μm)、孔隙率(0~20%)等关键参数与冲蚀质量之间的内在关系。仿真结果表明,圆形孔隙结构会使热障涂层冲蚀性能发生改变;对于某特定孔隙率存在最优孔隙半径,使其抗冲蚀性优于无孔隙结构的热障涂层;对于某特定孔隙半径,随着孔隙率的增加涂层冲蚀质量逐渐趋于稳定。此项研究可为预测涂层服役寿命、改进等离子喷涂制备工艺、提高其抗冲蚀能力提供一定的参考。

大气等离子喷涂热障涂层高温氧化行为研究

采用等离子喷涂工艺在GH4099合金基体上制备了热障涂层,并进行了1050℃恒温氧化试验,综合利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、能谱分析仪等检测手段,分析了涂层的显微结构及高温氧化行为。结果表明:等离子喷涂(APS)热障涂层在高温氧化过程中,黏结层被氧化生成热生长氧化物(TGO)。但长时间氧化后,在与TGO毗邻的金属黏结层中产生了范围较窄但浓度变化较大的贫Al带,TGO层出现保护性Al2O3向非保护性混合氧化物转变的现象,导致致密Al2O3层的连续性被破坏,TGO厚度快速增加。

大气等离子喷涂热障涂层的失效机理及研究进展

以大气等离子喷涂(APS)法制备的热障涂层(TBCs)有诸多优点。随着燃机进口温度的逐步上升,热障涂层在综合作用下剥落,严重影响其服役寿命,研究涂层的失效机理成为APS热障涂层研究的重要方向。介绍了高温氧化、热循环及蠕变等因素对APS热障涂层使用寿命的影响,总结了其失效机理及寿命预测进展,展望了热障涂层未来的发展趋势。

大气等离子喷涂热障涂层CMAS防护层成分及厚度优化

目的优化热障涂层(TBCs)CMAS(CaO-MgO-Al_2O_3-SiO_2)阻抗层的成分和厚度,使其能有效阻抗CMAS沉积物的腐蚀,并同时与热障涂层有较高的结合力。方法首先利用多孔无压烧结陶瓷块体研究了不同含量Al_2O_3和8YSZ(8wt.%氧化钇稳定氧化锆)均匀混合后在高温(1250℃)条件下对CMAS沉积物的防护作用。采用扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)以及X射线衍射(XRD)仪,分析研究了CMAS腐蚀层的显微结构、腐蚀深度及反应产物。其次,基于最优成分,利用大气等离子喷涂(APS)制备了具有8YSZ/Al_2O_3陶瓷层的热障涂层。对CMAS腐蚀厚度进行分析测量,提出CMAS阻抗层的厚度。结果 Al_2O_3的添加可以有效地阻碍CMAS的渗入,并且Al_2O_3含量越多,防护效果越好。但是CMAS的渗入深度和氧化铝的添加量呈非线性关系。结合TBC陶瓷层的热学性能和力学性能的要求,本实验中最佳的TBCs复合陶瓷层组分为70wt%8YSZ+30wt%Al_2O_3。基于实验结果,提出YSZ/Al_2O_3复合陶瓷层(50μm)-YSZ陶瓷层(150μm)的双层TBC陶瓷层结构,并综合计算出复合陶瓷层的热膨胀系数为9.93×10-6℃-1以及双层TBC陶瓷层的热导率为2.4 W/(m·K)。最后对Al_2O_3减缓CMAS腐蚀的机理进行了量化分析。结论 YSZ/Al_2O_3复合阻抗层的最优成分为70wt%8YSZ+30wt%Al_2O_3,厚度为50μm,能有效阻碍高温下CMAS腐蚀。

Y_(2)O_(3)含量对大气等离子喷涂Al_(2)O_(3)-Y_(2)O_(3)复合涂层微观结构和力学性能的影响

目的探究掺杂不同质量分数Y_(2)O_(3)对Al_(2)O_(3)-Y_(2)O_(3)复合涂层微观结构及其力学性能的影响。方法采用大气等离子喷涂制备Al_(2)O_(3)涂层,以及Y_(2)O_(3)质量分数分别为10%、20%、30%、40%的Al_(2)O_(3)-Y_(2)O_(3)复合涂层。利用SEM、EDS对粉末以及不同涂层的形貌、组织结构、元素分布进行分析。使用XRD表征粉末和涂层的物相。使用显微硬度仪、纳米压痕测试仪和电子万能试验机对涂层的显微硬度、弹性模量以及断裂韧性等力学性能进行测试分析。结果Al_(2)O_(3)喷涂粉末的物相由α-Al_(2)O_(3)组成,而喷涂得到的Al_(2)O_(3)涂层则由α-Al_(2)O_(3)、γ-Al_(2)O_(3)组成。加入Y_(2)O_(3)后,对复合涂层中γ-Al_(2)O_(3)的生成有一定的抑制作用。随着喷涂粉末中Y_(2)O_(3)含量的增多,Al_(2)O_(3)-Y_(2)O_(3)复合涂层表面未充分熔融的颗粒逐渐增加,复合涂层的孔隙率也越来越大,掺杂了10%Y_(2)O_(3)的Al_(2)O_(3)-Y_(2)O_(3)复合涂层的孔隙率最低,涂层最致密。Al_(2)O_(3)涂层具有最高的显微硬度值(1209HV0.3)和弹性模量(227 GPa)。随着Y_(2)O_(3)含量的增加,Al_(2)O_(3)-Y_(2)O_(3)复合涂层的显微硬度与弹性模量逐渐降低。Al_(2)O_(3)-10%Y_(2)O_(3)复合涂层的弹性恢复率高达48.3%,并且其断裂韧性及抗塑性变形的能力也最好。结论掺杂了10%Y_(2)O_(3)的Al_(2)O_(3)-Y_(2)O_(3)复合涂层具有最致密的微观组织结构,其综合力学性能最好。

Al_(2)O_(3)改性等离子喷涂-物理气相沉积热障涂层的异物损伤行为及失效机理

由外来异物损伤引起的颗粒冲蚀是制约热障涂层使用寿命的重要因素。为了提高等离子喷涂-物理气相沉积(PS-PVD)热障涂层的耐冲蚀性能,采用磁控溅射和真空热处理在PS-PVD喷涂的7YSZ热障涂层表面制备一层致密的α-Al_(2)O_(3)。系统研究热障涂层的异物损伤行为,并采用第一性原理计算对α-Al_(2)O_(3)/c-ZrO_(2)界面进行研究。结果表明,PS-PVD、大气等离子喷涂(APS)和电子束-物理气相沉积(EB-PVD)热障涂层的冲蚀质量损失率分别为324、248和139μg/g,而Al_(2)O_(3)改性的PS-PVD热障涂层的冲蚀质量损失率降至199μg/g。此外,在Al_(2)O_(3)/ZrO_(2)-O的顶部构型模型中观察到的界面结合能最高(3.88 J/m^(2)),远高于ZrO_(2)/Ni(2.011 J/m^(2)),使界面结合性能得以提高。

大气等离子喷涂Y_(3)Al_(5)O_(12)/Al_(2)O_(3)陶瓷涂层的CMAS腐蚀抗力

探索能够有效抵抗1300℃及以上温度钙镁铝硅酸盐(Calcium-Magnesium-Aluminum-Silicate,CMAS)腐蚀的新材料是近年来先进航空发动机用环境障涂层研究的重点任务。本工作围绕具有超强CMAS腐蚀抗力的YAG(Y_(3)Al_(5)O_(12))/Al_(2)O_(3)体系,采用大气等离子喷涂(Atmospheric Plasma Spraying,APS)技术制备了具有共晶成分的YAG/Al_(2)O_(3)涂层。通过在1100、1300和1500℃对制备态涂层进行热处理,获得了具有不同微观结构的YAG/Al_(2)O_(3)涂层。利用不同表征手段研究了YAG/Al_(2)O_(3)涂层抵抗1300℃CMAS腐蚀的性能及微观结构对涂层腐蚀抗性的影响。研究结果发现,经不同温度热处理的YAG/Al_(2)O_(3)涂层与CMAS的反应产物均为石榴石结构固溶体、CaAl_(2)Si_(2)O_(8)和Ca_(2)MgSi_(2)O_(7)。腐蚀机制研究发现,1100℃热处理YAG/Al_(2)O_(3)涂层与CMAS反应界面的近连续分布石榴石固溶体层可有效阻隔CMAS腐蚀元素的扩散;1500℃热处理YAG/Al_(2)O_(3)涂层晶粒尺寸的增加及晶界数量的减少可降低涂层材料在CMAS中的溶解速率,二者均可通过影响腐蚀过程中的离子传输速率而影响各生成物的竞争析出,进而提升涂层的CMAS腐蚀抗力。本工作为YAG/Al_(2)O_(3)涂层热处理工艺优化提供了借鉴,并为通过微观结构优化调控YAG/Al_(2)O_(3)涂层的CMAS腐蚀抗力提供了新思路。

大气等离子喷涂及固相反应法制备MnCoCu金属连接体防护涂层

目的 锰钴尖晶石涂层可有效抑制金属连接体高温氧化、降低固体氧化物燃料电池(SOFC)性能衰减,但其成本较高,电性能和稳定性也需进一步提升。方法 本文拟采用大气等离子喷涂技术(APS)和固相反应法以金属粉末制备高电导率尖晶石涂层。通过Cu元素的添加,在尖晶石涂层中引入高电导率的铜锰尖晶石相,获得高电导率尖晶石涂层,并通过对涂层的相组成、表面截面形貌、元素分布、电性能等物性的表征,揭示Cu添加量及固相转变条件对尖晶石涂层性能的影响规律。结果 800℃热处理后涂层明显致密化、均匀化,涂层主相为Cu_(x)Mn_(3-x)O_(4)(x=1,1.2,1.4)和MnCo_(2)O_(4);在基体和涂层的界面处存在Cr富集,800℃氧化10h后,含Cu量12%(质量分数)的试样面比电导最高;氧化100h后,面比电导有所下降,含Cu量12%(质量分数)试样仍具有最高的面比电导;经过还原的试样面比电导明显低于未还原样品,其原因在于还原过程中Cr元素产生扩散,氧化后生成了较多的低电导率相。涂层导电性随Cu含量的增加而增大,800℃时Cu含量为12%(质量分数)的样品电导率可达93.15S/cm。结论 尖晶石涂层可通过APS制备的金属涂层经热处理后获得;涂层的相组成可以通过金属粉末成分进行调控;Cu的添加有效提高了涂层的电导率,且随Cu含量的增加而增大;经还原处理后的涂层更加致密,但导电性低于未还原样品。

悬浮液等离子喷涂沉积热障涂层研究进展

悬浮液等离子喷涂(SPS)采用液相送料的方式,解决了纳米级粉末在热喷涂过程中送料困难的问题,同时,可沉积具有纳米级或亚微米级的柱状晶或垂直裂纹等结构的涂层。综述了近年SPS制备热障涂层的相关研究进展。对SPS的原理和工艺特点进行了介绍;阐明了SPS制备热障涂层典型微结构,包括垂直裂纹和柱状晶结构的沉积机理;探讨了悬浮液特性(包括固含量、黏度、表面张力)、喷涂工艺参数(包括喷枪类型、喷涂距离)、基材表面粗糙度等对SPS沉积涂层微结构、热物理性能、热循环性能等的影响。最后,对SPS未来的发展及研究趋势进行了展望。

等离子喷涂YSZ热障涂层的工艺研究

目的优化大气等离子喷涂工艺,提高热障涂层的耐腐蚀性能与热循环寿命。方法设计正交试验,制备出不同工艺参数的YSZ涂层。用共聚焦显微镜、X射线衍射仪、能谱分析仪对涂层的表面粗糙度、表面与截面形貌、元素组成与分布进行表征,用ImageJ软件分析涂层的孔隙。根据试验数据优化工艺参数,对比分析工艺优化前后涂层的耐腐蚀性与热循环寿命。对涂层进行热震水淬试验,分析涂层的热震寿命与失效行为。结果不同工艺下制备的涂层在孔隙、耐熔盐腐蚀与热循环寿命方面存在明显差异,工艺参数W3X3Y1Z3组合为优化出的喷涂工艺。采用优化后工艺所制备的涂层TBC-1,孔隙率为9.65%,平均孔隙尺寸为6.18μm^(2),未观察到明显的大孔与裂纹。涂层表面粗糙度为3.48μm,粉末熔化状态较好。热腐蚀之后,涂层截面熔盐元素V的质量分数为2.03%,无熔盐积聚现象。涂层经20次热腐蚀与热冲击联合试验后,质量损失率为0.25%,表面完整,无明显剥落。TBC-1在热震试验中的失效形式为涂层大面积剥落,失效次数为172次。结论等离子喷涂的工艺参数对涂层的综合性能有重要影响,涂层中较大的裂纹和孔隙可作为熔盐的渗透途径,加速涂层的腐蚀,同时使热循环寿命变差。经优化后工艺制备的涂层,内部孔隙分布均匀,且平均孔隙尺寸较小,表现出良好的耐腐蚀性与热循环寿命。涂层中热生长氧化物(TGO)的生长应力、陶瓷层与黏结层的热失配应力是涂层中裂纹扩展和涂层失效的重要原因。

添加WC颗粒对镁合金表面等离子喷涂Al基涂层耐腐蚀和耐磨损性能的影响

常规热喷涂工艺制备的金属涂层内的粒子界面弱结合导致其不能为基材提供长效的腐蚀防护,因此,采用大气等离子喷涂,实现粒子间的冶金结合,制备高致密Al-15%WC(体积分数)复合涂层。结果表明,由于WC颗粒中C元素的去氯效应,以及超高温熔滴(>1800℃)间的自冶金结合,在最优等离子喷涂条件下制备出无氧化物杂质的涂层。涂层的致密结构使其表现出优异耐腐蚀性能,其腐蚀电流密度比镁合金基体降低4个数量级,比纯铝块材降低2个数量级。WC硬质颗粒的添加使Al-WC复合涂层的耐磨损性能相较纯Al块材提高1个数量级。

等离子喷涂硅酸盐搪瓷涂层及其热循环行为研究

[目的]硅酸盐搪瓷涂层在冷热循环过程中的失效行为很少受到关注。[方法]采用喷雾造粒与烧结相结合的方式制备了多组分硅酸盐团聚烧结喷涂粉末材料,随后采用大气等离子喷涂技术在12CrMoV合金钢表面制备了SiO_(2)-Al_(2)O_(3)-Na_(2)CO_(3)-CaO基硅酸盐搪瓷涂层,研究了该涂层的微观组织和在700℃下的水淬热震循环行为。[结果]硅酸盐团聚烧结喷涂粉末材料呈球形,粒径分布在20~60μm之间。等离子喷涂硅酸盐涂层呈明显的堆叠层状铺展沉积,表面较为粗糙,其内部虽然存在一定数量的闭孔,但整体较为致密,除了含有一定数量的非晶相,还有SiO_(2)、Al_(2)SiO_(5)和Ca_(2)MgSi_(2)O_(7)晶相。该涂层在700℃水淬热震循环145次后发生部分脆性剥落。[结论]热震循环过程中发生的金属基体氧化、晶相分解,以及冷热交变循环等因素产生的热应力可能是导致涂层失效的原因。

大气等离子喷涂羟基磷灰石涂层的工艺参数优化

采用大气等离子喷涂工艺在Ti–6Al–4V基体上制备羟基磷灰石(HA)涂层。通过正交试验考察了喷涂电流、喷涂距离和次气(氢气)流量对HA涂层结合强度和显微硬度的影响。结果表明,当喷涂电流为700 A,次气流量为9 L/min,喷涂距离为120 mm时,涂层品质最好。采用扫描电子显微镜、万能拉伸试验机、接触角测量仪和电化学工作站对此参数组合下所制涂层的微观结构及性能进行表征。结果表明,等离子喷涂制备的HA涂层具有典型的层状结构,与基体结合良好,表面粗糙度(Ra)达到3.56μm,对模拟体液(SBF)的接触角为43.6°。与纯基体相比,有HA涂层的Ti–6Al–4V试样在SBF中的腐蚀电位正移,腐蚀电流密度降低,耐蚀性得到显著提升。

激光合金化掺杂TiC对等离子喷涂8YSZ热障涂层热腐蚀行为的影响

传统的等离子喷涂热障涂层在高温环境下服役易受熔融腐蚀盐渗透而过早剥落失效,研究激光合金化掺杂自愈合材料TiC对热障涂层热腐蚀行为的影响具有重要意义。采用大气等离子喷涂技术(Atmospheric plasma spray,APS)在Inconel 718镍基高温合金表面制备NiCrAlY粘结层,采用大气等离子喷涂技术在NiCrAlY粘结层上制备8 wt.%氧化钇部分稳定的氧化锆(8 wt.%yttria partially stabilized zirconia,8YSZ)陶瓷层,构建典型双层结构热障涂层体系。采用1 kW光纤耦合激光器将自愈合材料TiC熔于8YSZ热障涂表层,并考察其在900℃下25%NaCl+75%Na_(2)SO_(4)混合熔盐中保温4 h的热腐蚀行为。结果表明,与等离子喷涂涂层相比,激光合金化改性热障涂层表面更加光滑,分布有网状裂纹,且结构致密。等离子喷涂涂层的热腐蚀产物主要是针状颗粒Y_(2)(SO_(4))_(3)和m-ZrO_(2),但仅有较少的热腐蚀盐渗透至激光合金化改性热障涂层内部,其热腐蚀产物为Y_(2)(SO_(4))_(3)和少量的TiO_(2)。激光合金化改性热障涂层的抗热腐蚀性能较等离子喷涂态热障涂层提升55.5%,一方面激光合金化改性层组织致密,可阻止热腐蚀盐渗透至涂层内部,另一方面,激光合金化改性热障涂层表面粗糙度更低,能减少与热腐蚀盐的接触面积。此外,自愈合材料TiC在高温下发生氧化反应引起体积膨胀,实现裂纹的部分自愈合效应,进一步阻止了热腐蚀反应的发生。采用激光表面改性技术将自愈合材料TiC引入热障涂层,激光合金化改性热障涂层不仅具有光滑的表面形貌,还具有致密的微观组织结构;同时自愈合材料TiC在高温环境下的裂纹自愈合效应有助于抑制热腐蚀盐的渗透,最终提高热障涂层的抗热腐蚀性能。

大气等离子喷涂的YSZ纳米热障涂层的微观结构

采用YSZ(8％Y_2O_3-ZrO_2,质量分数)纳米粉末,经大气等离子喷涂(APS)方法制备得YSZ纳米热障涂层(TBC)。喷涂前的粉末颗粒直径为30—50nm,晶粒尺寸约12nm。对涂层的分析结果表明:YSZ纳米涂层平均晶粒尺寸在20—30nm,有个别粗晶直径达200—300nm。涂层由立方相c-ZrO_2和四方相t′-ZrO_2组成,t′相内存在畴结构。涂层内孔洞细小弥散,多呈闭合式,TEM下可见位错缠结和富层错的板条带结构。

大气等离子喷涂氧化锆热障涂层研究进展

简要概述了大气等离子喷涂技术、等离子喷涂热障涂层选用氧化锆材料的原因及其具有的优异性能,同时也介绍了等离子喷涂制备热障涂层的国内外研究现状并指出了未来的发展方向。

附加屏蔽气体的大气等离子喷涂对热障涂层性能影响

对比研究了附加屏蔽气体的大气等离子喷涂和普通大气等离子喷涂对热障涂层组织结构和性能的影响.结果表明,附加屏蔽气体的大气等离子喷涂粘结层表面未熔或半熔粒子较少,涂层中氧化物夹杂和孔隙率降低,热障涂层在1 080℃下具有更好的抗氧化性能.附加屏蔽气体的大气等离子喷涂的热障涂层具有更好的抗氧化性能的原因,在于外加保护气氛减轻了喷涂过程中粒子和涂层的氧化,粘结层中Al元素含量更高,氧化初期粘结层表面优先形成致密的具有保护作用的Al2O3薄膜,使得界面热生长氧化物的生长速度减慢.

大气等离子喷涂工艺对纳米结构和传统Yb_(2)SiO_(5)涂层微观结构的影响

纳米材料由于具有一些独特的效果而表现出了独特的性能,纳米结构稀土硅酸盐被认为是很有前景的环境障碍涂层(EBC)材料之一。稀土硅酸盐材料中Yb_(2)SiO_(5)因其卓越的高温相稳定性、对水蒸气环境的耐久性、低热导率以及优秀的化学稳定性受到了研究者们的广泛关注。本文研究了大气等离子喷涂工艺(APS)参数对纳米结构和传统Yb_(2)SiO_(5)涂层微观结构的影响,并研究了相同大气等离子喷涂工艺下,纳米结构Yb_(2)SiO_(5)喂料和传统Yb_(2)SiO_(5)喂料对涂层微观结构的影响,分析了APS制备过程中不同结构喂料对涂层结构影响机制。结果表明:相同喷涂参数制备的纳米结构Yb_(2)SiO_(5)涂层孔隙率低于传统Yb_(2)SiO_(5)涂层,以及纳米结构Yb_(2)SiO_(5)涂层的铺展性和融化度均优于传统Yb_(2)SiO_(5)涂层,表明纳米结构Yb_(2)SiO_(5)涂层为很有前途的环境障碍涂层之一。

大气等离子喷涂FeCoCrNiAl高熵合金涂层的高温摩擦磨损性能

目的 研究环境温度对FeCoCrNiAl高熵合金涂层摩擦磨损性能的影响,探讨将其应用于高温及富氧环境中的可行性。方法 采用大气等离子喷涂制备FeCoCrNiAl高熵合金涂层,考察喷涂功率对涂层微观组织的影响;测试涂层的纳米力学性能,分析其对涂层摩擦磨损性能的影响;基于涂层及对偶磨球磨损表面形貌、元素分布及含量、物相组成,讨论涂层在室温及高温环境中的摩擦磨损特性与机制。结果 涂层中形成了白色、浅灰色、深灰色及黑色4种区域,区域颜色随O元素含量增加而加深,涂层纳米力学性能逐渐增加,进而将对其摩擦磨损性能造成影响。20 kW喷涂功率制备涂层的室温摩擦因数、磨损率及磨痕深度均达最佳值,分别为(0.70±0.02)、(9.22±0.01)×10^(-5) mm^(3)/(N·m)及(130±10)μm。室温环境下,磨粒磨损、疲劳磨损及塑性变形为涂层的主要磨损机制。20 kW功率制备涂层的摩擦因数、磨损率、磨痕深度等均随摩擦环境温度的升高先增加而后降低,经600℃摩擦试验后分别低至(0.58±0.01)、(6.14±0.01)×10^(-5) mm^(3)/(N·m)及(104±8)μm;涂层磨损表面的氧化程度随环境温度的升高而加剧,经600℃摩擦试验后氧含量高达31.62%(质量分数)。当摩擦环境温度≥400℃时,涂层以氧化磨损为主,以磨粒磨损、粘着磨损和疲劳磨损为辅。结论 由于磨损表面形成连续氧化膜的保护和固体润滑作用,高熵合金涂层在高温环境中的耐磨性明显提高,可广泛应用于高温及富氧环境中。

基于响应曲面法优化大气等离子喷涂Y_(2)O_(3)涂层工艺

以自制的高纯Y_(2)O_(3)粉为原料,借助大气等离子喷涂工艺在A6061铝合金表面制备Y_(2)O_(3)涂层,基于响应曲面法构筑了相应的响应曲面图,分析了喷涂电压(60~80 V)、喷涂电流(500~600 A)和喷涂距离(100~120 mm)的交互作用对涂层硬度和孔隙率的影响,优化了等离子喷涂工艺。结果表明:基于响应曲面法建立了涂层显微硬度和孔隙率的二次数学模型;模型预测Y_(2)O_(3)涂层的优化工艺参数为喷涂电压78 V、喷涂电流500 A、喷涂距离120 mm,涂层的显微硬度和孔隙率分别为633.28 HV和3.22%,与试验值的相对误差分别为1.92%和1.26%,验证了模型的准确性。优化工艺下制备的涂层表面粗糙度为5.733μm,结合强度为25.6 MPa。