难熔金属表面高温防护涂层抗热震性能研究现状

难熔金属及其合金具有高温强度优异、加工塑性好、耐腐蚀性好等优点,在航空、航天和核工业领域中得到了广泛应用,是一种重要的高温结构材料。但难熔金属及其合金因其自身易氧化的缺点,导致材料在未达到服役温度时就发生严重氧化,从而快速失效。目前,高性能高温防护涂层是保障难熔合金服役性能的关键,然而难熔金属及其合金表面高温防护涂层的实际服役工况非常苛刻,往往伴随着强热震,是导致涂层失效的重要原因。因此,难熔金属表面高温防护涂层在具备优异恒温抗氧化性能的前提下,还需具备良好的抗热震性能。综述了难熔金属表面高温防护涂层的热震失效机制,讨论了影响涂层抗热震性能的关键参数;阐述了难熔金属表面硅化物、金属和复合涂层3类主要涂层体系抗热震性能的研究现状,重点回顾了优化涂层结构、添加陶瓷颗粒以及设计复合涂层等提高涂层抗热震性能的方法及其改善效果;最后,从降低涂层与基体间的热膨胀系数失配度、改善基体/涂层界面结合性能以及设计复合梯度涂层3个方面展望了未来难熔金属高温防护涂层的发展方向。

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。

WC-TiC-VC-Fe硬质合金的显微组织及热震性能

采用真空烧结方法成功制备了WC-TiC-VC-Fe硬质合金,研究了TiC、VC添加对WC-Fe硬质合金的显微组织及热震性能的影响。结果表明:添加TiC、VC使硬质合金中形成了(W、Ti、V)C固溶体,随着TiC、VC含量的增加,WC的晶粒尺寸呈现先降低再升高趋势,WC晶粒尺寸最小为0.86μm;TiC和VC的添加量各为3 mass%时,硬质合金的性能最佳,热疲劳至材料失效的次数达160次。通过添加TiC、VC改变了硬质合金的热疲劳裂纹扩展方式,由于新生的相加大了WC之间的间距,有效地提升裂纹扩展阻力,使其抗热震性能提升。

热震对银-铝复合材料组织和性能的影响

采用电镀的方法在铝合金表面制备银镀层,对银-铝复合材料试样进行热震试验。利用金相显微镜、显微硬度计研究热震试验对材料形貌及力学性能的影响。结果表明,热震试验保温时间30 min后,相较于未热震试验的硬度无明显变化,随着保温时间的延长,铝基体和银镀层硬度大幅降低;且加热后空冷银镀层的硬度略高于水冷银镀层的硬度;同时,热震试验190℃、30 min后基体晶粒细化,而热震试验190℃、2 h后晶粒有长大趋势。

激光熔覆Hastelloy C276涂层组织及抗热震性能研究

目的 针对微晶玻璃压延辊在服役过程中因表面频繁承受较大的温度梯度而开裂的问题,研究一种抗冷热疲劳性能突出的高性能防护涂层来延长压延辊服役寿命。方法 采用激光熔覆技术,以扫描速度为800 mm/min、送粉量为26 g/min、光斑直径为4 mm、搭接率为50%、激光功率为2 200 W的工艺参数,在2Cr13基体上熔覆Hastelloy C276镍基合金涂层。采用扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)研究熔覆涂层的微观组织和热震失效裂纹微观形貌、元素分布以及涂层相组成。利用箱式电阻炉对Hastelloy C276熔覆涂层与2Cr13基体进行热震试验。结果 Hastelloy C276熔覆涂层表面无裂纹、成形良好,涂层与基体之间为冶金结合。涂层由γ-Ni、M_(6)C和M_(23)C_(6)相组成。熔覆涂层从基体结合处至表面依次形成了平面晶、胞状组织、柱状树枝晶以及等轴树枝晶,碳化物相均在树枝晶间析出。Hastelloy C276熔覆涂层抗热震失效次数约为2Cr13基体的3倍,最高抗热震次数可达到202,Hastelloy C276熔覆涂层具有良好的抗热震性能。结论 由于HastelloyC276涂层与2Cr13基体结合紧密且存在热膨胀系数差异,热震时在熔覆结合界面产生了较大热应力,因此裂纹最先在熔覆结合界面处萌生,然后逐渐扩展至涂层表面最终失效。Hastelloy C276涂层的裂纹萌生扩展机制使裂纹在涂层表面出现较晚,有效延长了2Cr13微晶玻璃压延辊抗冷热疲劳寿命。

GH3230镍基高温合金的循环热震裂纹扩展行为

为了研究航空发动机火焰筒材料循环热震裂纹萌生扩展机制,采用自主搭建的水冷热震试验设备开展了GH3230镍基高温合金V型缺口平板试样的循环热震试验,峰值温度分别为800、900和1000℃。并采用有限元方法计算了裂纹尖端的应力场,最后基于Paris公式建立了不同峰值温度下GH3230镍基高温合金循环热震裂纹扩展速率模型。结果表明:随着峰值温度升高,循环热震裂纹萌生寿命逐渐降低,裂纹扩展速率加快,次裂纹的长度和深度也随之增加。随着裂纹的扩展,主裂纹尖端应力强度因子逐渐增加。次裂纹的存在会降低主裂纹尖端应力强度因子,但影响较小。Paris公式可以很好地描述循环热震裂纹扩展速率与裂尖应力强度因子幅值之间的关系。

二硅化钼改性硅酸镱环境障涂层体系抗热震行为及机理

稀土硅酸盐环境障涂层(EBCs)是应用于新一代高推重比航空发动机热端部件的重要材料,但在服役过程中,稀土硅酸盐面层易产生纵向裂纹,为腐蚀性介质进入EBCs体系内部提供通道,使硅黏结层发生氧化并产生裂纹,最终导致EBCs失效。二硅化钼(MoSi_(2))具有优异的高温性能,有望改善稀土硅酸盐EBCs体系的高温稳定性。本工作采用MoSi_(2)改性Yb_(2)SiO_(5)面层,通过真空等离子喷涂技术(VPS)分别制备了以Yb2SiO5、Yb_(2)SiO_(5)-5%MoSi_(2)(体积分数,下同)和Yb_(2)SiO_(5)-10%MoSi_(2)作为面层,以Yb_(2)Si_(2)O_(7)作为中间层,以Si作为黏结层的三种环境障涂层体系,利用场发射扫描电子显微镜表征了涂层在1350℃热震前后的形貌变化。结果表明:掺杂MoSi_(2)不仅能改善涂层的损伤容限,还可消耗氧化性介质,减少其向涂层体系内部的扩散,使黏结层上TGO层厚度分别降低83%和88%,从而有效改善涂层体系的高温稳定性。

CoNiCrAlY黏结层结构设计及其对热障涂层结合强度和抗热震性能的影响

目的设计热障涂层黏结层结构,改善涂层结合强度和抗热震性能。方法制备了5种结构的CoNiCrAlY黏结层,即超音速火焰喷涂(HVOF)底层+等离子喷涂(APS)上层的双层结构黏结层试样,对其进行1050℃真空热处理3 h后的试样,APS黏结层试样,HVOF黏结层试样及其真空热处理试样。再在以上5种试样表面制备Y2O3部分稳定ZrO2(YSZ)陶瓷层,研究黏结层的表面粗糙度、相组成、微观组织结构及其对涂层试样结合强度、热震性能的影响。结果制备态的黏结层由γ/γ’和β-NiAl两相组成,真空热处理后β相含量增多,表面粗糙度下降。在所有涂层试样中,双黏结层的涂层试样的结合强度最低,为28.43 MPa;对其真空热处理后得到的涂层试样的结合强度最高,达到39.42 MPa,主要原因在于热处理促进了两黏结层之间的扩散,提高了界面强度。双黏结层的涂层试样的抗热震性能最好,200次热震后涂层无明显剥落,而APS黏结层的涂层试样的抗热震性能最差,涂层抗热震性能的差异在于黏结层微观结构的不同。结论双黏结层的结构设计综合了APS、HVOF两种黏结层制备方法的优点,能显著提高热障涂层的抗热震寿命。

高炉内热震的监测与判别及其对炉墙侵蚀的影响

引出热震及其热震强度和热震指数等概念,试图定量描述高炉中、上部炉墙内的温度急剧变化。通过实测数据的分析,证明热震指数与炉墙侵蚀速度间呈线性关系。为生产高炉控制热应力产生的炉衬破损速度提供了检测方法和相应的理论依据。

热震条件下Al-Si复合Al_(2)O_(3)-C材料的组成、结构和性能变化

以板状刚玉骨料和细粉为原料,以酚醛树脂为结合剂制备了Al-Si复合Al_(2)O_(3)-C不烧滑板材料,测定了干燥后试样以及在1 100~1 300℃下热震不同次数后试样的体积密度、显气孔率和常温抗折强度,研究了热震对试样的物相组成、显微结构和性能的影响。结果表明,随着温度的升高和热震次数的增加,Al、Si反应生成非氧化物Al_4C_3、AlN和SiC的程度增加。由于热震产生的微裂纹为微量空气进入试样内部提供了通道,致使试样内部微区域气相压力增加,从而使非氧化物生成量增大,且非氧化物晶须发育良好,对材料具有填充和增强作用,使试样的致密度和强度略有增加。

超音速等离子喷涂Al_(2)O_(3)与Al_(2)O_(3)-13%TiO_(2)涂层热震性能

采用超音速等离子喷涂工艺在不锈钢基体上制备了FeAl/Al_(2)O_(3)、FeCrAl/Al_(2)O_(3)、FeAl/Al_(2)O_(3)-13%TiO_(2)、FeCrAl/Al_(2)O_(3)-13%TiO_(2)四种涂层,通过扫描电镜表征微观结构,图像分析技术测量孔隙率,多峰法计算α-Al_(2)O_(3)质量分数,并测试了涂层的抗热震性能和结合强度。结果表明:超音速等离子喷涂制备的Al_(2)O_(3)涂层中α-Al_(2)O_(3)的质量分数约为40.3%~42.5%,涂层孔隙率约为3.47%~3.52%,制备的Al_(2)O_(3)-13%TiO_(2)涂层中α-Al_(2)O_(3)的质量分数约为24.0%~29.7%,涂层孔隙率约为3.12%~3.31%。水淬热震实验(800℃/保温30 min)表明,FeCrAl/Al_(2)O_(3)涂层的抗热震性能最优,FeCrAl/Al_(2)O_(3)-13%TiO_(2)涂层抗热震性能次之,FeAl/Al_(2)O_(3)涂层与FeAl/Al_(2)O_(3)-13%TiO_(2)涂层抗热震性能最差。

激光制孔对热障涂层热震失效的影响分析

激光制孔应用于航空发动机叶片气膜孔制备,具有效率高、无材料选择性的优势,但是目前针对激光制孔诱导的裂纹、重铸层等对热障涂层服役的性能影响的研究并不深入。通过毫秒、飞秒激光对带热障涂层的GH4169镍基高温合金试样进行制孔,然后在1150℃的高温下进行抗热震性能测试。结果表明:激光制孔诱导裂纹是导致陶瓷层剥落的重要因素,其与陶瓷层内部裂纹共同作用导致陶瓷层剥落,而孔侧壁重铸层内部裂纹会导致重铸层剥落。毫秒激光制孔存在大量裂纹和较厚重铸层,而飞秒激光制孔孔壁裂纹相对较少,孔壁无明显重铸层,试样表现出更优异的抗热震性能。

AlN添加量对BN基复合陶瓷热学性能与抗热震性的影响

以BN、SiO2、AlN为原料,采用热压工艺制备出BN基复合陶瓷。研究了AlN添加量对复合陶瓷热学与抗热震性能的影响。结果表明:随着AlN添加量的增加,复合陶瓷的热膨胀系数呈现先降低后升高的趋势。当AlN的添加量为5vol%时,复合陶瓷的平均热膨胀系数最小,为2.22×10-6/K;复合陶瓷的热导率则随着AlN添加量的增加呈先升高后降低的趋势,当AlN的添加量为10vol%时达到最大值。未添加AlN的复合陶瓷热震后的残余强度随着热震温差的增大而升高;随着AlN的引入,复合陶瓷热震后的残余强度呈下降的趋势。对于添加5vol%AlN的复合陶瓷,经1100℃热震后其残余强度为219.7 MPa,强度保持率为88.9%,抗热震性良好。

ZrB_2-20%SiC超高温陶瓷抗热震性能研究

采用放电等离子烧结工艺在1850℃烧结温度、升温速度200℃/min、保温3min、压力50MPa条件下制备了ZrB_2-20%SiC(体积分数,下同)超高温陶瓷材料。通过不同温度下单次和5次重复热震(水淬试验)后测试材料的残余强度来评价ZrB_2-SiC陶瓷材料的抗热震性能,通过SEM分析研究材料的热震损伤机制。研究结果表明,随着热震温度的提高,ZrB_2-SiC材料热震后的残余强度逐渐降低,但1400℃热震后形成的玻璃相,对裂纹有修补、愈合的作用,提高了试样的残余强度。单次热震的损伤机制主要是微裂纹的产生。5次热震后试样的残余强度与相同温度下的单次热震相比要低很多,5次热震的损伤机制是氧化和微裂纹的共同作用。ZrB_2-SiC材料的抗热震试验结果显示了该材料具有优异的抗热震性能。

TiC添加量对细晶Al_2O_3-TiC复合陶瓷热震疲劳抗力的影响

热压制备了Al2O3-TiC复合陶瓷。研究了Al2O3-TiC复合陶瓷的热震疲劳机制和TiC的添加量对其热震疲劳抗力的影响。热震过程中的微裂纹,裂纹桥接和偏转,热震裂纹表面的“碎粒”及粗糙性等的共同作用是Al2O3-TiC复合陶瓷热震疲劳产生的主要机制。具有一定微孔洞的材料,热震循环时微裂纹易于孔洞处产生,有益于热震疲劳抗力的提高。A30材料韧性最高且孔隙率最大,从而其热震循环疲劳抗力得到改善。

CaO耐火材料的抗热震性能

采用特种粘结剂，控制工艺参数（如粒度配比、成型压力、烧结温度以及Ｚｒｏ_２添加剂含量等），制备Ｔ ＣａＯ耐火材料，测量了力学和物理性能．用中心加热法研究了 ＣａＯ耐火材料的抗热震性能．结果表明．在合适的粒度分布及烧结温度下，添加Ｚｒｏ_２颗粒能显著提高 ＣａＯ耐火材料的抗热震性能.

纳米复合陶瓷材料抗热震性能的研究进展

综述了纳米复合陶瓷材料抗热震性能的测试方法;讨论了影响材料抗热震性能的主要因素,包括各组分热物理性能、不同增韧机理、微观裂纹、抗热震性能测试方法以及实验参数等;指出了研究中尚需解决的问题。

氧传感器热震性能和机械强度的改善研究

针对新型多层片式氧传感器,研究了在多层钇稳定氧化锆(YSZ)固体电解质的层间,添加多孔YSZ夹层后对多层YSZ固体电解质抗热震性能的影响。采用流延制膜、等静压成型、程序控制烧结的方法,制备了含多孔夹层的YSZ多层陶瓷试样。通过水冷强度法,获得试样的平均热震残余强度来评价试样的抗热震性能。结果表明,多孔夹层的存在,有利于提高多层YSZ固体电解质的抗热震性能,10%的淀粉造孔可使层状陶瓷的临界热震温差由原来的250℃提高到450℃。电镜分析表明,多孔夹层中的孔洞可捕捉热震时热应力引起的裂纹,抑制裂纹的无偏转生长,减弱多层陶瓷的热震后脆裂。夹层中细密的孔洞比稀疏的大孔更有利于提高材料的抗热震性能。

压痕法研究ZrO_2层状复合陶瓷的抗热震性

用压痕法测试了单层和层状两种ZrO2 陶瓷材料的抗热震性能。研究结果表明 :ZrO2 层状复合陶瓷的临界热震温差ΔTc=4 0 0℃ ,比ZrO2 单层陶瓷高出15 0℃左右 ,同时还表现出其ΔTc与陶瓷厚度无关的优异性质。现场试验结果也证明 ,ZrO2 层状复合陶瓷抵抗 15 0 0℃冷热骤变的能力优于ZrO2 单层陶瓷。研究认为 ,界面压应力作用部分或全部抵消了热冲击应力 ,使裂纹在界面处发生偏转 ,提高了材料的断裂能和断裂功 。

蜂窝陶瓷蓄热体的抗热震性研究进展

本文针对高风温燃烧技术和煤矿乏风瓦斯氧化技术的蜂窝陶瓷蓄热体,系统地综述了影响蓄热体抗热震性的因素,数值模拟分析了蓄热体在热冲击下的温度场和热应力场的分布特点,总结了蜂窝陶瓷蓄热体热震损伤机理等的研究进展情况,并提出今后的研究及发展方向。