CMAS、CMAS+NaVO_(3)、CMAS+海盐作用下热障涂层的腐蚀行为与机理

环境沉积物(CaO-MgO-Al_(2)O_(3)-SiO_(2),CMAS)的高温腐蚀已成为航空发动机涡轮叶片热障涂层过早失效的重要原因之一。然而涡轮叶片工作环境复杂,熔盐、海盐常与CMAS耦合,一起对热障涂层造成多元复杂腐蚀,但目前关于CMAS与盐类的多元耦合腐蚀行为鲜有报道。针对Y2O_(3)部分稳定ZrO_(2)(YSZ)热障涂层在CMAS、CMAS+NaVO_(3)、CMAS+海盐作用下的腐蚀行为进行对比研究。通过XRD、SEM等方法对不同条件下腐蚀后的涂层进行表征,并分析热处理温度、腐蚀物种类对腐蚀行为的影响。结果表明:与CMAS相比,CMAS+NaVO_(3)、CMAS+海盐会在更低的温度下损伤涂层(1200℃)。当三种腐蚀物均能完全熔化时(1250℃),CMAS+NaVO_(3)、CMAS+海盐熔体则由于更大的流动性而大量渗入,腐蚀内部涂层。其中,CMAS+海盐熔体在涂层内的渗透性最强,1250℃热处理4 h后,渗透深度超过400μm。盐类的共存会改变CMAS的性质,增强熔体的渗透能力,增加涂层内部甚至底部失效的倾向。研究结果有助于理解盐类与CMAS耦合时混合熔体对热障涂层的破坏机理及潜在威胁。

镀铝对CoCrNiAlY-YSZ-LaMgAl_(11)O_(19)双陶瓷热障涂层高温抗氧化行为的影响

采用电弧离子镀(AIP)技术在CoCrNiAlY-YSZ-LaMA双陶瓷涂层表面沉积一层Al镀层,利用XRD、SEM和EDS等微尺度分析表征方法,全面解析涂层在大气暴露过程中的高温氧化行为。研究结果表明,未镀铝LaMA层在氧化过程中发生严重体积收缩,导致纵向微裂纹萌生和扩展。这些微裂纹成为氧气向内部扩散的通道,导致涂层呈现持续氧化增重趋势、TGO快速生长和严重的元素扩散,并最终加剧涂层断裂失效。但镀铝涂层样品表现出更好的高温抗氧化性能与结构稳定性,高温氧化过程中,表面Al镀层与氧气发生原位反应生成致密Al2O3屏障层,有效阻止或延迟氧气内部渗透,使TGO缓慢生长,其氧化增重从20h时的8.59mg/cm^(2)略微上升到80h时的9.46mg/cm^(2)。本研究结果为双陶瓷热障涂层的延寿设计与界面热生长应力调控开辟出全新技术途径和理论视野。

高熵稀土氧化物热障涂层材料研究进展

热障涂层(Thermal barrier coating,TBC)材料在航空发动机和燃气轮机的热防护中具有保护高温合金基底免受氧化及腐蚀,并降低高温合金的工作温度的重要作用。新型热障涂层材料中存在许多高熵稀土氧化物,能够实现比单一主成分稀土氧化物更优异的热学、力学、高温相稳定性以及抗烧结、耐腐蚀等性能。但是目前对高熵稀土氧化物的研究仍然停留在初步阶段,其中稀土元素对材料性能的作用尚未完全明确,且没有形成统一标准。简要概述了热障涂层的基本结构,并重点总结了高熵锆酸盐、铈酸盐、铪酸盐、钽酸盐和铌酸盐等5种高熵稀土酸盐的晶体结构、热物理性能与力学性能。对比分析了其与相应的单一组分稀土酸盐的差异,并探讨了影响其性能优劣的多种因素。相比于单一组分稀土氧化物,高熵稀土氧化物的热导率、热膨胀系数和相稳定性均有明显改善。最后,展望了未来高熵稀土热障涂层的发展方向。

热障涂层在航空发动机涡轮叶片上的应用、失效与维护

航空发动机涡轮叶片热障涂层对延长涡轮叶片的使用寿命具有至关重要的作用。首先概述了航空发动机热障涂层的重要性,其次归纳了航空发动机涡轮叶片热障涂层的制备技术及应用特点,主要对大气等离子、电子束物理气相沉积、等离子喷涂-物理气相沉积等3种热障涂层进行了论述。在此基础上,重点阐述了热障涂层在航空发动机涡轮叶片中的典型失效形式,包括高温氧化失效、热腐蚀失效及颗粒物冲击,对以上失效形式的失效机理进行了重点论述。最后结合发动机状态监控及涡轮叶片孔探技术,对涡轮叶片热障涂层的常见典型失效给出了工程案例分析与建议。

未热解厚热障涂层的隔热能力和黏接强度

对比研究使用未热解粉末制备的厚热障涂层(UPTTBC)和传统TBC、厚TBC(TTBC)及密集垂直裂纹(DVC)TTBC 4种涂层的隔热能力和黏接强度。采用降温法测试涂层的隔热能力;根据ASTM C633标准,采用拉拔试验检测涂层的黏接强度。结果显示,UPTTBC和DVC TTBC的黏接强度分别比TTBC高35%和25%。这可能是由于UPTTBC结构中存在亚微米尺度的未熔化区域,起到了阻止裂纹扩展的作用。此外,隔热测试的结果表明,DVCTTBC涂层的隔热能力最差,为0.28℃/μm,而UPTTBC涂层的隔热能力最强,为0.40℃/μm。由于UPTTBCs显微组织中存在亚微米区域,使涂层展现出优越的隔热能力。相反,DVCTTBC因其致密的结构,具有最低的隔热能力。

Sc_(2)O_(3)和Y_(2)O_(3)复合掺杂ZrO_(2)热障涂层陶瓷材料的组织结构与力学性能

质量分数为7±1%氧化钇部分稳定氧化锆(7YSZ)是广泛应用的热障涂层陶瓷材料。然而,其在1200℃以上长期服役存在相稳定性差、烧结加剧和力学性能下降等弊端。因此,本工作提出新型Sc_(2)O_(3)-Y_(2)O_(3)协同掺杂ZrO_(2)热障涂层陶瓷材料,采用固相合成法制备了摩尔分数为7.5%Sc_(2)O_(3)-x%Y_(2)O_(3)-(92.5-x)%ZrO_(2)(x=0,0.1,0.2,0.3)陶瓷。通过X射线衍射仪(XRD)、场发射扫描电镜(SEM)等手段,重点探究Y_(2)O_(3)掺杂含量对高温固相合成陶瓷材料的微观组织结构演变行为以及维氏硬度、断裂韧性、弹性模量和三点抗弯强度等力学性能的影响规律。结果表明:Sc_(2)O_(3)-Y_(2)O_(3)复合掺杂ZrO_(2)陶瓷材料经1450℃×3.5 h高温烧结的致密度大于97%,主要由四方相结构组成,该材料的维氏硬度、弹性模量、断裂韧性和三点抗弯强度与传统8YSZ相当,分别为13~14 GPa,211~214 GPa,6.5~7.0 MPa·m^(1/2),520~850 MPa之间;断裂机制主要为穿晶断裂和沿晶断裂的混合方式,其中以穿晶断裂为主导。Sc_(2)O_(3)-Y_(2)O_(3)复合掺杂ZrO_(2)陶瓷可作为一种潜在的高温热障涂层陶瓷材料。

地面重型燃气轮机及其热障涂层的研究进展与发展趋势

国际公认的重型燃气轮机制造尖端技术之一—热障涂层技术,高温下通常面临CMAS(CaO-MgO-Al_(2)O_(3)-SiO_(2))腐蚀、氧化、相变与烧结等问题,其抗CMAS腐蚀性等关键性能极大地影响涂层寿命,提高热障涂层的性能刻不容缓。对重型燃气轮机用热障涂层的研究进展与发展趋势进行全面总结与分析。首先介绍国内外重型燃气轮机的现状及发展趋势、热障涂层的系统结构、材料和几种典型的制备工艺,然后针对高温下燃气轮机热障涂层遇到的一些问题,对其隔热性、抗氧化性及抗热震性等关键性能的研究进展进行综述,最后分类详述热障涂层的CMAS腐蚀机理及其防护研究进展。综述热障涂层的几种关键性能,提出热障涂层的性能与其材料、结构及制备工艺密切相关,据此总结归纳提高热障涂层性能的方法,为热障涂层性能的提高提供参考依据,以弥补燃气轮机热障涂层领域目前缺乏这类综述文章的不足。

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。

YZrHf热障涂层的制备及热震性能分析

目的研究喷涂态YZrHf热障涂层的微观组织及其抵抗高温热冲击的性能,探讨高温条件下热生长氧化物(TGO)对陶瓷层的影响。方法采用大气等离子喷涂(APS)技术制备厚度约为300μm的YZrHf热障涂层,并将涂层在950℃下保温15min后进行水冷循环热震实验,直至涂层剥落失效,使用SEM、EDS、X射线衍射仪对制备态及热震实验后的热障涂层微观组织进行分析。结果涂层表面粗糙不平且分布有十几到几十微米长度的网状裂纹,这些相互贯通的裂纹为氧气的进入提供了通道。经过101次循环热震实验后,涂层部分区域剥落失效,SEM结果显示,在陶瓷层/黏结层界面处、黏结层内部均出现了热生长氧化物,且在陶瓷层中分布有横向、纵向的贯通性裂纹,而在TGO生长区域,也出现了一些小裂纹,但涂层并未剥落。经测定分析可知,TGO的主要成分为Al_(2)O_(3)、Cr_(2)O_(3)、NiO以及尖晶石氧化物组成的混合物(CSN)。结论热震实验后TGO层中Al元素贫化,Ni、Cr等元素向界面处迁移参与反应,同时尖晶石氧化物以α-Al_(2)O_(3)为基础形成,这些氧化物的存在会产生对陶瓷层的压应力,加速涂层的开裂失效;涂层中掺杂的HfO2能够阻止Al的外扩散,降低氧化层的生长速率。

热障涂层服役温度测试与隔热机理

热障涂层(TBC)被用于航空发动机涡轮叶片表面的热防护,主要由粘结层和陶瓷层组成,准确测量陶瓷层表面与粘结层/陶瓷层界面温度分布对指导涂层高隔热结构设计与制备具有重要意义。现有非接触式与接触式测温技术可测量表面温度,接触式测温技术可测量界面温度。主要介绍了3种用于测量航空发动机涡轮叶片表面温度的技术,其中,适用于TBC表面测温的包括以光学原理为主的红外辐射、荧光、晶体、光纤测温技术;以热致变原理为主的示温漆测温技术;适用于TBC界面测温的以热电原理为主的填埋式热电偶、薄膜热电偶测温技术,并介绍了其测温的原理、优势和局限性。进一步对TBC隔热机理及性能优化进行了介绍,并对TBC表/界面测温技术及涂层结构设计方向进行了展望。

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。

气缸套表面耐磨热障涂层制备与性能研究

柴油机气缸套表面热障涂层是协同提升其阻热、耐磨、减摩性能的有效方法。利用超音速高能等离子弧喷涂设备,在38CrMoAlA基体表面制备了厚度为1.5 mm的NiCoCrAlY-YSZ双层结构的热障涂层,并对其微观结构、力学性能与高温摩擦学行为进行了研究。结果发现,涂层孔隙率约为(9.62±2.23)%,与基体结合强度为(30.33±1.89) MPa;当环境温度为200℃时,38CrMoAlA基体的磨损率约为1.96×10^(-4) mm~3/(N·m),高于250℃油润滑条件下YSZ涂层的1.14×10^(-4) mm~3/(N·m);涂层在油润滑时的摩擦磨损性能较为优异,无润滑时的摩擦因数与磨损率分别由0.05和0.54×10^(-4) mm~3/(N·m)增加至0.70和2.97×10^(-4) mm~3/(N·m),其磨损形式以磨粒磨损为主。该研究为低散热柴油机关键部件的设计与防护提供了理论与技术支撑。

热障涂层材料制备技术的研究进展及失效分析

热障涂层具有良好的隔热效果和抗高温氧化性能,应用于航空发动机可以显著提高高温部件的使用温度和寿命。先进航空发动机的发展对热障涂层陶瓷面层材料的防护效果和使用寿命提出了更高的要求。综述了先进航空发动机热障涂层体系的研究进展,对近年来国内外热障涂层的陶瓷层和粘结层材料体系、制备技术进行了详细介绍,对涂层失效进行了分析,展望了下一代高性能航空发动机热障涂层的研究和应用前景。

基于场聚焦的E-形谐振传感器对热障涂层的厚度检测定位

提出一种基于场聚焦的E-形谐振传感器,可以实现对热障涂层陶瓷层厚度的检测和定位。通过CST软件对所设计的E-形谐振传感器进行了仿真分析,重点验证了传感器对热障涂层厚度变化(0~0.5 mm)的响应特性,并通过参数优化确保了传感器设计的有效性和实用性。通过仿真结果,发现传感器的谐振频率随热障涂层厚度的变化而发生偏移,每增加0.1 mm,频偏在100 MHz左右,证实了其测量能力。通过实验,验证了传感器对热障涂层厚度检测定位的能力。实验结果与仿真分析一致,再次证明了该传感器设计的可行性和高灵敏度特点。同时通过验证实验发现检测误差可达0.8%,具有优异的检测精度。

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。

稀土掺杂热障涂层体系及其荧光效应研究现状与发展趋势

稀土掺杂热障涂层是指将稀土元素掺杂到热障涂层(ThermalBarrierCoatings,TBCs)陶瓷面层中,不仅可以在一定程度上改善热障涂层的隔热性能和力学性能,还可以赋予其荧光特性,利用其荧光特性可以实现温度测量、热历史追踪、无损检测等方面的应用,从而达到寿命预测的目的。重点围绕国内外稀土荧光效应在热障涂层中的研究和发展趋势进行了系统阐述,分别介绍了稀土掺杂热障涂层的结构以及荧光效应在时间效应和强度效应上的检测原理,分析了热障涂层稀土掺杂原理及其制备工艺,讨论了稀土元素的掺杂对热障涂层热力学性能以及抗CMAS(CaO、MgO、Al_(2)O_(3)、SiO_(2))腐蚀性的影响,阐述并分析了基于稀土荧光效应的热障涂层在荧光测温、热历史传感器和无损检测等方面的研究和应用,为后续基于稀土荧光效应的热障涂层研究和应用奠定了理论基础,最后对基于稀土荧光效应的热障涂层今后需要解决的问题和发展方向进行了展望。

Gd_(2)O_(3)-Yb_(2)O_(3)-Y_(2)O_(3)共掺杂ZrO_(2)双陶瓷热障涂层在Na_(2)SO_(4)+V_(2)O_(5)环境中的热腐蚀失效机理

采用大气等离子喷涂(APS)工艺制备了由9.5Y_(2)O3-Y_(2)O_(3)-5.6Yb_(2)O_(3)-5.2Gd_(2)O_(3)共掺杂ZrO_(2)(GYYZ)的外层和Y_(2)O_(3)稳定ZrO_(2)(YSZ)的内层组成的双陶瓷(GYYZ/YSZ)热障涂层(TBCs),并与传统单层YSZ热障涂层进行对比。通过热循环腐蚀试验,研究了两种涂层在Na_(2)SO_(4)+V_(2)O_(5)环境中的热腐蚀行为以及失效机理。结果表明:相较于YSZ,GYYZ由于含有更高质量分数的金属氧化物稳定剂,在腐蚀环境中表现出更强的反应活性;GYYZ涂层中的Gd_(2)O_(3)、Y_(2)O_(3)具有较强的Lewis碱性,会优先参与反应,不活泼的Yb_(2)O_(3)将被遗留下来作为ZrO_(2)的稳定剂,这有利于维持GYYZ/YSZ涂层在腐蚀环境中的相稳定性。由于GYYZ涂层在腐蚀环境中发生更少的t'-ZrO_(2)相向m-ZrO_(2)相的转变,内部积累的相变应力更小,因此GYYZ/YSZ涂层表现出更强的抵抗裂纹扩展能力,其热循环腐蚀寿命显著高于YSZ涂层。

燃气轮机热障涂层劣化的阻抗研究

热障涂层(TBC)的一些固有特性(如多孔性、较薄的厚度、相当高的电阻率)使传统常温无损检测技术存在一定应用局限,为此,提出了一种在高温环境下利用阻抗谱法监测热障涂层中氧化物生长的方法,基于阻抗谱测试原理,通过分析交流阻抗在不同频率域下的响应以及相角信息获得热障涂层中氧化物的生长信息,并结合SEM微观形貌,构建预测模型。结果表明:在1000℃高温氧化不同时间后,发现在陶瓷层和粘接层之间形成了一条致密的深色热生长氧化物(TGO)层,其厚度随着氧化时间的延长而增加,并且呈现出非线性关系。随着氧化时间的延长,TGO层的成分从氧化初期的Al_(2)O_(3)向Al_(2)O_(3)(主要)、Cr_(2)O_(3)、CoO、NiO的混合氧化物过渡。通过建立适当的电路模型拟合阻抗谱数据,建立了TGO层电阻与氧化时间的关系,从而证实了阻抗谱法在热障涂层高温退化过程中进行无损检测的可行性。

基于氧化和烧结的涡轮导向叶片热障涂层区域失效分析

研究氧化与烧结共同作用下对涡轮导向叶片热障涂层区域失效情况的影响有着重要意义。使用UG构建三维叶片流场模型并采用Fluent对其进行温度场分析,观察各区域下的热生长氧化物生长行为和烧结情况对涂层物性参数和氧化层厚度重新标定,利用ANSYS获得各区域涂层应力分布与大小,分析了区域热障涂层失效原因。结果表明不均匀温度场导致的氧化与烧结行为差异性,是造成涡轮导向叶片热障涂层损伤程度不同的根本原因。在叶盆区域涂层出现高应力集中现象,最大拉应力可达+299 MPa,这一分析为部件寿命评估提供借鉴。