潜在高熵陶瓷热障涂层材料的研究进展

热障涂层(TBC)材料是为航空发动机及燃气轮机提供热防护,延长其使用寿命的一种重要材料。近年对新型热障涂层材料的探索中出现各类高熵稀土氧化物,以期通过热力学上的高熵效应、动力学上的迟滞扩散效应、结构上的晶格畸变效应以及性能上的“鸡尾酒”效应获得优于单主元稀土氧化物的热学、力学、高温相稳定性及抗烧结腐蚀等性能。本文总结归纳了高熵稀土锆酸盐、铈酸盐、铪酸盐、钽酸盐及铌酸盐等五种高熵稀土氧化物的热学性质、力学性质及其他性质,着重强调了热导率和热膨胀系数,同时与相应单组分稀土氧化物的性能进行对比分析,探究影响其性能优劣的多种因素。最后指出未来或可将实验与第一性原理计算相结合,筛选出综合性能更加优异的高熵陶瓷热障涂层材料;同时,将高熵延伸至复杂组分或中熵陶瓷热障涂层材料也成为重要的拓展方向。

稀土氧化物改性YSZ热障涂层材料热学性能研究

以Gd_(2)O_(3)、Yb_(2)O_(3)、Y_(2)O_(3)和ZrO_(2)为原料,通过固相合成法制备5Gd_(2)O_(3)-6Yb_(2)O_(3)-10YSZ热障涂层粉末,又称GYbYSZ。以X射线衍射仪(XRD)和场发射扫描电镜对材料相结构和显微组织进行表征。用激光热导率测试仪和热膨胀仪测试样品热导率和热膨胀系数。结果表明,1600℃制备材料物相为高温相c相;稀土氧化物改性后YSZ块体材料在1000℃下热导率达到1.51 W/(m·K);1200℃热膨胀系数为11.25×10^(-6)/K;在室温至1500℃范围内,不发生相变,高温稳定性优异。

热障涂层材料性能和失效机理研究进展

热障涂层材料破坏由大尺度屈曲和层离机制产生,而这些机制又是微裂纹形核、扩展及相互连通结果的积累.由于特殊制备工艺和使用环境,材料性能涉及到许多特殊机制.近半个世纪的研究,人们对其性能有了充分认识.综述近几年的研究结果,内容包括:热生长氧化现象及其热力学描述;热生长应力与材料失效的联系;材料破坏机理与性能控制参数和材料微组织的联系;微缺陷演化产生的材料屈曲和层离所需的能量释放率;破坏准则、服役寿命预计模型和评价标准等.

应用于航空发动机涡轮叶片的热障涂层材料研究

热障涂层材料(TBC)能够应用于航空发动机涡轮叶片等许多尖端领域,这种材料是一种能够缓冲外界热量进入表面合金的低热导率材料。研究表明,空气是一种近乎最低的低热导率材料,所以在热障涂层材料中加入空气能够有效提高热量缓冲作用。将采用感应耦合等离子体(ICP)深沟刻蚀硅的表面,在金属钛表面电解氧化形成多孔的氧化层薄膜以及泡沫铜、泡沫镍的多孔结构来系统阐述这一理论的可行性。使用了扫描电镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)和热导率测量仪对微观形貌和热导率进行了表征测量,并利用计算机仿真对多孔结构进行了进一步的热传导性能分析。

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。

热障涂层材料及其制备技术的研究

在材料科学和技术深入发展的影响下,在提升高温合金工作温度及使用寿命的过程中热障涂层得到了十分广泛的应用,并且热障涂层材料也得以在航空发动机高温端部件的表面防护发挥关键作用。同时,热障涂层材料也会随着使用需求的变化及技术的更新而得到相应的发展,文章针对热障涂层材料,结构以及全新材料应用和具体的制备技术展开了相应的研究。

热障涂层材料研究进展

热障涂层材料广泛应用于发动机热端部件的热防护,能有效提高航空发动机热端部件的工作温度和使用寿命。目前商用的热障涂层材料为氧化钇部分稳定氧化锆,但其在服役温度高于1200°C时会发生相变而失效,难以满足新一代航空发动机对热障涂层的性能要求。因此,寻找新型热障涂层材料及其服役性能研究一直是近年来的热点。本文综述了近年来氧化钇稳定氧化锆、钙钛矿氧化物、烧绿石氧化物以及稀土硅酸盐材料的研究进展,并展望了热障涂层材料的未来发展趋势。

探索新型陶瓷热障涂层材料助力航空航天发展——访昆明理工大学材料科学与工程学院冯晶教授

热障涂层对于航空发动机的重要性体现在哪些方面?国内热障涂层的研究及应用处于怎样的水平?冯晶:航空发动机的重要技术 是两盘一片和热障涂层,热障涂层是四大关键核心技术之一。航空发动机的效率取决于温度,温度越高效率也越高,但提高发动机的使用温度,要考虑材料是否耐受,目前发动机燃气的燃烧温度可以达到1500~1600℃,到达材料表面的温度大概是1100℃左右。未来对于航空发动机的要求将越来越高,其使用温度可能达到1800℃、2000℃,甚至更高。那面临的一个问题,就是如何保 证材料在这么高的温度下还能正常运转。目前发动机最常用的材料是镍基超高温合金,其服役的最高温度是1100℃左右,而且这个指标事实上还很难完成,那就需要使用热障涂层让其达到使用要求。

陶瓷“防护衣”助力中国“航空梦”——记清华大学材料学院“高性能热障涂层材料的结构设计与热物理性能研究”项目

梦想承载着希望和未来。＂有梦想、有机会、有奋斗,一切美好的东西都能够创造出来。＂国家富强、民族振兴、人民幸福的中国梦,一经提出就成为时代的最强音,汇聚起了中华儿女变革中国、富强中国的磅礴力量。

纳米热障涂层材料Ln_(2)(Zr_(0.7)Ce_(0.3))_(2)O_(7)(Ln=La,Nd,Sm,Gd)的热物性能

用水热合成法制备纳米热障涂层材料Ln_(2)(Zr_(0.7)Ce_(0.3))_(2)O_(7)(Ln=La,Nd,Sm,Gd),表征其晶体结构、形貌、晶格参数、平均粒径尺寸和比表面积并研究了相关的热物性能及其机理。对XRD谱和Raman谱的分析表明,La_(2)(Zr_(0.7)Ce_(0.3))_(2)O_(7)、Nd_(2)(Zr_(0.7)Ce_(0.3))_(2)O_(7)和Sm_(2)(Zr_(0.7)Ce_(0.3))_(2)O_(7)均为烧绿石结构,而Gd_(2)(Zr_(0.7)Ce_(0.3))_(2)O_(7)为萤石结构。结合SEM观察、体积收缩以及相对密度,分析了块材的抗烧结性能。系统对比研究了晶体生长行为、热膨胀系数和热导率等热物性能。结果表明:随着Ln离子半径的减小(La>Nd>Sm>Gd)Ln_(2)(Zr_(0.7)Ce_(0.3))_(2)O_(7)(Ln=La,Nd,Sm,Gd)纳米材料的晶体生长活化能和热膨胀系数均呈增大的趋势,而热导率则呈降低的趋势。

功能梯度材料在热障涂层活塞上的应用研究

介绍了作为热障涂层活塞的功能梯度材料的应用机理、材料特性组合方 案、依据及优化设计方法。并制备出了符合要求的功能梯度材料。

“热障涂层的设计和失效机理研究”获重要进展

目前，中科院长春应化所在热障涂层的设计思路、失效机理以及新型热障涂层材料研发等方面取得重要进展，设计并成功制备出使用温度≥1250℃的双陶瓷层热障涂层材料，“热障涂层的设计和失效机理研究”成果荣获2013年吉林省自然科学奖一等奖。

我国“热障涂层的设计和失效机理研究”获进展

中国科学院长春应用化学研究所在热障涂层的设计思路、失效机理，以及新型热障涂层材料研发等方面取得重要进展，设计并成功制备出了使用温度高于1250℃的双陶瓷层热障涂层材料，“热障涂层的设计和失效机理研究”成果荣获2013年吉林省自然科学奖一等奖。

中科院长春应化所热障涂层的设计和失效机理研究获进展

日前，中科院长春应用化学研究所在热障涂层的设计思路、失效机理以及新型热障涂层材料研发等方面取得新进展，设计并成功制备出使用温度≥1250℃的双陶瓷层热障涂层材料，“热障涂层的设计和失效机理研究”成果荣获2013年吉林省自然科学奖一等奖。

氧化锆涂层(薄膜)的应用与研究

重点归纳了氧化锆 (ZrO2 )作为热障涂层材料的应用和研究内容 ,并对ZrO2 功能薄膜材料和生物涂层材料的研究进行了简单总结。对纳米氧化锆涂层的研究现状进行初步介绍。

特种功能材料中的固态相变及应用

固态相变已经从传统结构材料的增强增韧延伸到新型功能材料研究领域,引发多种奇特的物理效应。目前已经形成一批基于固态相变的新型功能材料。这些新型功能材料蕴含着丰富的固态相变理论。固态相变现已成为新型功能材料设计与功能特性实现的重要手段之一。文章结合作者在固态相变及特种功能材料方面的研究工作,重点介绍高温形状记忆合金、高阻尼形状记忆合金、磁致伸缩材料和热障涂层材料中的固态相变特征及其在这些特种功能材料设计与功能实现和调控中应用的研究进展。

Sm_(2-x)Y_xZr_2O_7陶瓷材料结构及热物理性能研究

采用固相合成法制备了Sm_(2-x)Y_xZr_2O_7陶瓷材料,分别对材料的物相组成、显微结构、热导率及热膨胀性能进行表征。结果表明,Sm_(2-x)Y_xZr_2O_7陶瓷材料(x≤0.8)的晶体结构为立方烧绿石结构,晶粒尺寸为1~3μm,室温~1 200℃范围内,陶瓷材料的热膨胀系数>11.0×10^(-6)K^(-1),随着x值的增大,热扩散系数逐渐降低,热导率低至1.50 W/(m·K),显示出良好的热物理性能。

Sm_2(Zr_(1-x)Ti_x)_2O_7陶瓷材料的结构及热物理性能

目的研究氧化物TiO_2 B位掺杂对Sm_2Zr2O_7陶瓷材料的结构及热物理性能的影响。方法以Sm_2O_3、ZrO_2、TiO_2为原料,通过高温固相合成法制备用过渡金属氧化物TiO_2掺杂Sm_2Zr2O_7的Sm_2(Zr_(1-x)Ti_x)_2O_7(x=0,0.2,0.4,x为摩尔分数)陶瓷材料。利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)研究陶瓷材料的物相结构以及显微形貌,利用阿基米德原理测定陶瓷材料的体积密度。根据Neumann-Kopp定律计算材料热容,采用高温热膨胀仪及激光导热仪对材料的热膨胀性能和热导率进行表征。结果 Sm_2(Zr_(1-x)Ti_x)_2O_7体系陶瓷材料为立方烧绿石结构,显微结构致密,晶界清晰。Sm_2Zr2O_7掺杂小离子半径Ti^(4+)使其热膨胀系数有所提高,热扩散系数降低,并在高温下表现出类似于玻璃的超低热导率。800℃时,Sm_2Zr_(1.6)Ti_(0.4)O_7的热导率为1.29 W/(m·K),平均热膨胀系数达到10.6×10^(-6) K^(-1)。结论由于基质原子与取代原子之间的原子量差随Ti掺杂量的增加而逐渐降低,其热导率随Ti掺杂量增加而升高。

CMAS熔体在不同热障涂层用材料表面的铺展和腐蚀行为

选取了5种热障涂层用陶瓷材料(Y_(2)O_(3)、La_(2)Ce_(2)O_(7)、Gd_(2)Zr_(2)O_(7)、Al_(2)O_(3)、12YSHf),对其进行了CMAS熔体铺展和腐蚀行为的分析,并与常用的陶瓷材料7YSZ进行了对比。研究表明,12YSHf和Al_(2)O_(3)在减缓CMAS熔体铺展方面具有较好的效果;Al_(2)O_(3)和La_(2)Ce_(2)O_(7)高温下与CMAS反应后界面层厚度较小,具有较好的抗CMAS腐蚀性能。综上,Al_(2)O_(3)在延缓CMAS熔体铺展和抗CMAS腐蚀方面的综合效果最为突出。

热障涂层系统热冲击裂纹扩展规律分析

为了深入理解热障涂层材料的热断裂行为,对热障涂层材料热冲击裂纹扩展问题进行了研究。利用瞬态相互作用积分方法提取了热障涂层材料裂纹尖端的瞬态热应力强度因子,同时基于裂纹扩展准则结合材料的断裂韧性和提取的瞬态热应力强度因子,分析了多界面热障涂层材料热冲击裂纹的扩展规律,进一步可以确定热冲击裂纹扩展的重要临界,如预制裂纹的开裂时刻、最终裂纹长度和最终裂纹扩展时间。研究结果表明,方法可以获得热冲击裂纹扩展过程中的重要临界参量,为分析热冲击裂纹扩展规律奠定基础。