超音速等离子喷涂制备梯度功能热障涂层的特点

在国内最新研制成功的超音速等离子喷涂系统基础上,开发了国内外独创的“双通道、双温区”超音速等离子喷涂工艺,将高熔点陶瓷粉末和低熔点合金粉末分别送入等离子焰流的不同温度区,保证两种粉末分别达到各自的熔点,再均匀混合后以超音速喷射到基体形成涂层,克服了传统的“金属/陶瓷混合法”制备梯度热障涂层时,低熔点金属相过熔而引起的氧化、脆化问题。制备出的Ce-YSZ/NiCoCrAlY梯度功能热障涂层(FG-TBCs)组织结构均匀致密,陶瓷与金属组份呈连续梯度分布,显示出良好的韧性。在自行开发的多功能旋转式热震试验机上对约1 mm厚的涂层经1 200℃加热、淬水,200周次热震试验后,涂层表面仅出现了细微网状裂纹,裂纹垂直向下扩展最深350μm,止于梯度层中塑性金属区,未发现任何涂层剥落现象。

超音速等离子喷涂制备纳米结构梯度功能热障涂层

开发了国内外独创的"双通道、双温区"超音速等离子喷涂的新工艺,分别将高熔点陶瓷粉末和低熔点合金粉末送入喷枪内孔等离子弧的不同温区,保证两种粉末都能在各自的熔点附近获得充分熔融,再均匀混合后以超音速喷射到基体形成涂层,克服了传统的"金属/陶瓷混合法"喷涂过程中高熔点陶瓷熔化不足,低熔点合金过熔、氧化、脆化的难题;同时,由于粒子超音速飞行,在射流中停留时间缩短,晶粒来不及长大,从而使得制备出的CeO_2-Y_2O_3部分稳定的ZrO_2陶瓷涂层仍保留了纳米晶尺寸;由此获得的CeO_2-Y_2O_3/NiCoCrAlY纳米结构梯度功能热障涂层中,陶瓷与金属组份呈连续梯度分布,组织均匀、致密,涂层的韧性、抗氧化性和抗热冲击性能都有明显提高。

等离子喷涂Mo/8YSZ功能梯度热障涂层结构优化与热力耦合模拟计算

目的研究不同结构参数对Mo/8YSZ热障涂层系统残余应力的影响因素。方法设计Mo/8YSZ功能梯度热障涂层,并利用ANSYS有限元软件建立了等离子喷涂Mo/8YSZ功能梯度热障涂层的数值模型,模型中考虑了材料热物理性能参数随温度变化,研究粘结层、过渡层及陶瓷层厚度对Mo/8YSZ功能梯度热障涂层残余应力的影响规律。结果随着径向距离的增大,粘结层与陶瓷层界面的残余应力逐渐由压应力变为拉应力,并且在涂层边缘位置,径向残余拉应力达到最大值。在0~12 mm路径范围内的同一位置,伴随着陶瓷层厚度的增加,粘结层与陶瓷层界面位置的轴向残余应力无明显变化,且轴向残余应力的数值几乎为0;在6~12.5 mm路径范围内的同一位置,伴随着陶瓷层厚度的增加,其剪切残余应力逐渐增大。在基体与粘结层界面边缘0.5 mm处存在着与其他位置相比更大的应力突变。粘结层与陶瓷层的厚度参数比控制在4∶10~4∶13时,涂层具有最低的热失配。过渡层与陶瓷层的厚度参数比控制在1∶4时,涂层具有最低的热失配。当功能梯度热障涂层的过渡层采用50%Mo与50%8YSZ复合而成时,将粘结层、过渡层及陶瓷层三者的厚度比值控制在16∶10∶40~16∶13∶52,涂层具有最低的热失配。结论通过设计功能梯度热障涂层,并合理调控热障涂层系统的结构参数,可进一步减小喷涂构件的残余应力和应力突变情况,提升基体与涂层的结合强度。

功能梯度热障涂层隔热与应力缓和的组合设计

提出了功能梯度热障涂层隔热与应力缓和的组合设计思想,给出了材料基本物性参数物理模型,并在此基础上首先由隔热能力确定不同层数对应的成分分布指数,继而进一步计算出与之匹配的轴向及径向应力分布情况,最后结合涂层材料的制备成本,确定了满足组合设计准则的涂层结构。

功能梯度热障涂层热震裂纹的形成和扩展

探索热障涂层在热震中裂纹的形成规律 ,揭示涂层热震危险截面位置 .采用在铝基体上以等离子喷涂法制备 Al/Ni- Zr O2 功能梯度涂层 ,在所研制的热性能测试仪上 ,用单面加热急冷法 ,观察不同热循环次数下的裂纹形成情况 .结果是热震 15次时首先在纯 Zr O2 与 Zr O2 和 Al/Ni质量比为 8∶ 2的界面上方产生水平裂纹 ,5 0次时出现龟裂纹 .热震裂纹出现的最危险截面在上述界面上方大约 80 μm处 ,此处热应力最大 .

功能梯度热障涂层材料断裂参数的求解

功能梯度热障涂层 (GTBC)材料界面裂纹导致涂层剥落是TBC失效的一个重要模式。介绍了MARC有限元软件提供的Delorenzi方法可以在不受涂层界面不均匀性限制的情况下 ,计算出结构的应变能变化 ,最终计算出GTBC界面裂纹的J积分。

结构参数对等离子喷涂Mo/8YSZ功能梯度热障涂层残余应力的影响

为了突破传统Mo/8YSZ双层热障涂层高温易剥落的技术瓶颈,利用ANSYS有限元软件建立等离子喷涂Mo/8YSZ功能梯度热障涂层的数值模型,考虑材料热物性参数随温度的变化情况,研究基体、黏结层及陶瓷层的厚度参数对涂层残余应力的影响。结果表明:随着基体厚度的增加,喷涂构件的最大径向残余拉应力和最大径向残余压应力均减小;随着黏结层、过渡层和陶瓷层厚度的增加,最大径向残余拉应力增大,最大径向残余压应力减小;残余压应力为轴向的主要残余应力形式,随着基体厚度的增加,最大轴向残余压应力减小,随着黏结层或过渡层厚度的增加,最大轴向残余压应力增大,然而陶瓷层厚度的变化对最大轴向残余压应力的影响并不明显;改变黏结层厚度对基体与涂层界面残余压应力的影响更为明显;基体的厚度在一定范围内对基体与涂层界面残余应力有影响,当基体厚度增加至12 mm时,随着基体厚度的增加,径向残余应力变化不明显;随着基体厚度的增加,应力突变点及应力形式的转变点逐渐过渡到基体与涂层交界边缘的上方区域,随着黏结层、过渡层或陶瓷层厚度的增加,应力突变点及应力形式的转变点逐渐过渡到基体与涂层交界中心的下方区域。通过设计功能梯度热障涂层,并调控热障涂层系统的结构参数,可进一步减小喷涂构件的残余应力和应力突变情况,提升基体与涂层的结合强度。

喷涂轨迹对铝合金表面等离子喷涂Mo/8YSZ功能梯度热障涂层温度场的影响规律研究

为了突破传统Mo/8YSZ双层热障涂层高温易剥离的技术瓶颈,研究喷涂轨迹对等离子喷涂功能梯度热障涂层温度场的影响规律,利用ANSYS有限元仿真模拟软件,基于"生死单元"的方法,建立了等离子喷涂功能梯度热障涂层的有限元模型,模型中考虑了材料的相变潜热及不同温度下的热物性参数,分析了不同喷涂轨迹下喷涂构件温度及温度梯度的分布情况。结果表明:当喷涂粘结层和过渡层材料时,采用同向的喷涂轨迹时,喷涂构件的温度最高;采用同种材料同向喷涂,异种材料喷涂方向相反的喷涂轨迹时,喷涂构件的温度次之;采用"S"型的喷涂轨迹时,喷涂构件温度最低。当喷涂陶瓷层材料时,采用"S"型的喷涂轨迹时,喷涂构件的温度最高;采用同向的喷涂轨迹时,喷涂构件的温度次之;而采用同种材料同向喷涂,异种材料喷涂方向相反的喷涂轨迹时,喷涂构件的温度最低。采用"S"型喷涂轨迹进行喷涂作业时,喷涂构件左右两端面温度分布的均匀性优于另外两种喷涂方式;采用同向的喷涂轨迹进行喷涂作业时,基体温度的波动幅度较另外两种喷涂方式小。通过设计梯度结构,并调控喷涂轨迹,可减小构件厚度方向的温度梯度,从而提升基体与涂层的结合强度。

喷枪空间行进速率对等离子喷涂Mo/8YSZ复合涂层温度场的影响

为了突破传统金属/陶瓷双层热防护涂层高温环境易剥离的技术瓶颈,研究喷枪空间行进速率变化对等离子喷涂Mo/8YSZ复合涂层时间域及空间域温度场分布的影响规律。利用ANSYS有限元分析软件,建立等离子喷涂Mo/8YSZ功能梯度热障涂层的数值模型,考虑材料不同温度下的热物性参数和材料的相变潜热,通过分析不同喷枪空间行进速率下喷涂构件的温度与温度梯度发现:在喷涂过程的同一时刻,喷枪行进速率越大,单位长度内喷枪与构件相互作用的时间越少,构件的最大温度值越小,构件上表面温度分布的均匀性越高,构件的最大温度梯度值越小;先沉积的涂层对后沉积的涂层存在预热作用,基体的最大温度值呈"台阶式"升高的变化趋势;随着涂层厚度的增加,涂层的热阻增加,基体温度的波动幅度逐渐减小;通过调控各涂层的喷枪行进速率,可进一步减小构件的温度梯度,按照黏结层最大、过渡层次之、陶瓷层最小的顺序进行喷涂时,喷涂构件的温度梯度最小。

梯度层不同配比对等离子喷涂Mo/8YSZ功能梯度热障涂层残余应力的影响规律研究

传统的金属/陶瓷双层热障涂层因不同涂层热物性参数的差异,易在涂层内部产生过大的残余应力,影响涂层质量及可靠性,而采用梯度结构的热障涂层,可实现涂层厚度方向热物性参数的连续平滑过渡,从而减小涂层间的残余应力,提升涂层的可靠性。梯度层配比不同,将使得涂层残余应力的分布情况及数值大小不同,为了研究不同梯度层配比对Mo/8YSZ功能梯度热障涂层残余应力的影响规律,利用ANSYS有限元分析软件建立了等离子喷涂Mo/8YSZ双层热障涂层及功能梯度热障涂层的数值模型,并在模型中考虑了材料热物性参数随温度变化,对比传统双层热障涂层,分析了不同梯度层配比对喷涂构件残余应力数值大小及分布区域的影响规律。结果表明:在喷涂参数相同的情况下,功能梯度热障涂层系统相比于双层热障涂层系统,径向最大残余拉应力与压应力均增大,轴向最大残余应力减小;伴随着过渡层第一层Mo比例的增加,喷涂构件的最大轴向残余拉应力增大,喷涂构件的最大轴向残余压应力减小;伴随着过渡层第一层Mo含量的增大,基体与涂层界面拉应力的分布区域增大,压应力的分布区域减小;采用功能梯度热障涂层结构,由于缓和了不同种类涂层间热物性参数的差异,可显著改善喷涂构件轴向的应力突变情况。

玻璃沉积物对La2Ce2O7/YSZ涂层高温下热冲击性能的影响

目的为了探究玻璃沉积物CMAS(CaO-MgO-Al2O3-SiO2)对新型结构热障涂层在1250℃下的热冲击寿命的影响,揭示热障涂层的失效行为。方法通过火焰喷涂技术将制备的CMAS粉体均匀地沉积到铈酸镧/氧化钇部分稳定二氧化锆双陶瓷层热障涂层(LC/YSZ DCL-TBCs)和梯度热障涂层(LC/YSZ FGM-TBCs)的表面,于1250℃热冲击实验中进行涂层样品的抗热冲击性能及失效机理研究。利用扫描电镜(SEM)和能谱仪(EDS)追踪CMAS的位置,观察CMAS与涂层反应层的厚度与形貌。采用X射线衍射仪(XRD)测试反应层产物,并总结其失效方式。结果高温热冲击结果显示梯度涂层的热冲击寿命(435次)远高于双陶瓷层热障涂层的寿命(229次),约为铈酸镧/氧化锆双陶瓷层热障涂层寿命的1.9倍。铈酸镧层与梯度层都能在一定程度上阻碍CMAS渗入涂层内部,提高其CMAS腐蚀条件下的热冲击寿命。双陶瓷层热障涂层与梯度热障涂层的失效均是以层状剥落为主,剥落层主要是CMAS与LC的反应层以及反应层下的烧结层,反应层是由Ca2(LaxCe1-x)8(SiO4)6O6-4x、萤石相和MgAl2O4等难熔氧化物组成,这层致密氧化物类似于密封层,能阻止CMAS继续渗入。结论功能梯度结构具有比双陶瓷层结构更优异的抗CMAS热冲击性能和更好的应力耐受性。