不同制备工艺参数对PS-PVD-8YSZ涂层微结构及性能的影响

作为新型热障涂层工艺制备技术,等离子物理气相沉积(PS-PVD)射流具有高能高速等特性,涂层沉积时存在扰流作用导致涂层微结构及性能的显著影响。为了减少圆柱体工装扰流作用,掌握工艺参数对涂层微结构的基本影响规律,采用平面工装系统研究不同PS-PVD工艺参数下,如喷涂电流、送粉量、喷枪摆动及样品旋转参数等对涂层微结构的影响规律。研究结果表明:送粉量和喷枪-样品相对运动参数对涂层微结构影响较大,可快速实现涂层微结构的调控;喷涂电流的变化通过柱状晶尺寸和冷凝纳米颗粒含量等方面影响涂层微结构,涂层显微硬度随喷涂电流增大而降低;喷涂沉积距离的影响较小,喷涂距离增大使沉积效率和柱状晶发散生长程度降低,冷凝纳米颗粒含量提高,同时涂层显微硬度呈现先降低后升高的趋势。JL-11NP粉末表现出宽幅工艺范围内准柱状结构的获得能力,进一步掌握低沉积电流工艺条件下基于气-固-液三相复合沉积的影响规律。开展了低电流工艺参数条件下PS-PVD涂层的微结构调控及沉积机制研究,研究成果可为兼顾隔热和寿命、抗冲蚀的涂层性能结构优化及调控奠定良好基础。

YSZ纤维增强等离子喷涂Al_2O_3/8YSZ涂层耐磨性能研究

将纤维增韧理念应用在等离子喷涂涂层设计中,可提升陶瓷涂层的断裂韧性,解决等离子喷涂陶瓷涂层韧性不足的问题。采用大气等离子喷涂技术制备了添加4%和8%(质量分数)氧化钇稳定氧化锆(YSZ)的YSZ纤维增强Al_2O_3/8YSZ涂层,对纤维增强涂层的断裂韧性及耐磨性能进行了研究。结果表明:等离子喷涂YSZ纤维增强Al_2O_3/8YSZ陶瓷涂层由α-Al_2O_3、γ-Al_2O_3和t′相组成;添加YSZ纤维后,涂层的断裂韧性明显改善,添加8%YSZ纤维复合涂层的KIC达2.924 MPa·m^(1/2),涂层的显微硬度变化较小;在相同磨损工况下,相比于未添加纤维的涂层,YSZ纤维增强涂层的耐磨性显著提高,其中,添加8%YSZ纤维后复合涂层的耐磨性是未添加涂层的2.5倍。

等离子喷涂8YSZ涂层在铝熔体作用下热冲击行为的数值模拟

目的定量理解等离子喷涂8YSZ热障涂层浸入铝熔体中的热冲击行为。方法基于热-力耦合计算方法有限元数值模拟,研究等离子喷涂8YSZ热障涂层浸入铝熔体时涂层中的瞬态温度场和瞬态应力场,以及涂层预热温度、陶瓷层厚度对应力分布的影响。结果温度场计算表明,在涂层浸入铝熔体0.1 s时,涂层表面就达到了铝熔体温度。随着涂层浸入铝熔体的时间增加,涂层内的温度分布逐渐由指数分布转变为近线性分布,而且涂层内的温度梯度也随着时间的增加而减小。相应涂层中的应力在相当短的时间内就达到了最大值,并随着加热时间的增加,最大应力值逐渐减小。涂层预热温度越高,在陶瓷层中的轴向应力和环向应力均越小,预热温度对轴向应力的影响更加明显。随着陶瓷层厚度的增加,陶瓷层内的轴向应力和环向应力值均增加,粘结层内的轴向应力和环向应力值均减小。结论对热障涂层进行预热处理可以有效降低涂层中的热应力值。涂层厚度增加,陶瓷层内应力随之增加,粘结层内应力随之减小,且陶瓷层厚度对粘结层中的应力影响更加明显。

莫来石晶须增强Al_(2)O_(3)-8YSZ陶瓷涂层的制备和性能

莫来石晶须(3Al_(2)O_(3)·2SiO_(2))由于结晶完美,具有良好的性能,如低的热膨胀和导热性,较高的热稳定性,高的抗蠕变和腐蚀稳定性,以及合适的强度和断裂韧性,使其成为需要耐高温和耐腐蚀性能应用的合适材料.探讨晶须增强Al_(2)O_(3)-8YSZ陶瓷涂层的制备和性能.通过莫来石晶须的增韧作用,提高了陶瓷涂层的硬度,对陶瓷涂层的结构具有明显的改善.

LaFeO_(3)/8YSZ复合涂层热物理参数测试及应力场分析

大气等离子喷涂工艺制备的热障隐身一体化涂层材料在航空发动机热端部件上有着重要的应用前景。针对LaFeO_(3)/8YSZ复合涂层大气等离子喷涂工艺参数优化问题,首先制备了纯LaFeO_(3)涂层,并完成了1150℃下涂层热物理参数高温表征;建立了LaFeO_(3)/8YSZ复合涂层有限元模型,重点分析了制备温度和涂层厚度比对样品残余应力的影响。结果表明:随着制备温度的升高,LaFeO_(3)和8YSZ涂层的面内压应力逐渐增大;LaFeO_(3)涂层面内应力从150℃时的-96 MPa变化到250℃时的-152 MPa,类似地,8YSZ涂层面内应力从-48 MPa增大到-86 MPa;压应力状态有利于延长涂层在高温服役环境下的使用寿命。由于LaFeO_(3)的热膨胀系数与8YSZ接近,在给定涂层总厚度为1.0 mm的条件下,LaFeO_(3)/8YSZ厚度比的变化对双层涂层的残余应力的影响不大。

阴极等离子电解大面积沉积弥散Pt微粒增韧8YSZ热障涂层

采用大气等离子喷涂(APS)在高温合金表面制备一层Ni Co Cr Al Y粘结层,然后采用阴极等离子电解沉积(CPED)制备一层弥散Pt微粒的8YSZ涂层。通过在电解液中加入陶瓷微珠,促使阴极表面发生均匀的等离子微弧放电,实现了在大面积样品上沉积8YSZ涂层。获得的涂层厚度到达120μm,具有多孔结构,由立方相和四方相8YSZ以及Pt组成。1100℃空气中循环氧化的结果表明,随着涂层中Pt含量的的增加,涂层的抗高温氧化和抗剥落性能得到明显提高。Pt微粒对8YSZ涂层的增韧作用主要为:Pt微粒塑性变形吸收裂纹扩展的能量,钝化裂纹尖端,减小裂纹尺寸,提高涂层的临界断裂应力。

等离子喷涂Sm_2Zr_2O_7/8YSZ热障涂层热冲击应力的数值模拟

热障涂层的热冲击应力对其热冲击性能有重要影响,有关其热冲击应力的研究鲜见报道。采用有限单元法研究了基体材质、厚度对等离子喷涂Sm2Zr2O7/8YSZ热障涂层水淬热冲击应力的影响,并与8YSZ涂层比较。结果表明:涂层内存在较大径向冲击热应力,其值随基体热膨胀系数增加而增大;随基体厚度增加,径向应力逐渐增加,厚度超过25 mm后对径向应力无影响;剪切压应力的绝对值随基体厚度增加而增大,基体厚度超过20 mm后趋于稳定;基体厚度对轴向应力无影响;该涂层的抗热冲击性能优于传统8YSZ涂层。

气体流量对铝合金表面等离子喷涂8YSZ热防护涂层微观特性及力学性能的影响

为了突破铝合金表面等离子喷涂热防护涂层结合强度低的技术瓶颈,采用三阴极等离子喷涂系统,在7A04-T6超高强铝合金基材表面制备了8YSZ热防护涂层,借助扫描电镜、X射线衍射仪、显微硬度计及万能力学试验机,分析表征了不同气体流量参数对涂层显微形貌、物相组成、显微硬度及结合强度的影响,并提出了气体流量参数对涂层结合强度影响的临界值。结果表明:不同的气体流量参数下制备的涂层上表面均存在着熔融及半熔融的粉末粒子形貌、不同尺寸的孔隙结构及不同程度的裂纹扩展形貌。伴随着气体流量的增加,涂层的致密度增加,涂层的夯实形貌则呈现先增加后减少的变化趋势。不同气体流量参数下制备的涂层的物相结构与喂料粉末基本一致,都仅存在单一成分的Zr_(0.92)Y_(0.08)O_(1.96)组元。伴随着气体流量参数的增大,涂层的平均显微硬度呈现逐渐增大的变化趋势,涂层的平均结合强度呈现先增大后减小的变化趋势。

LZO对热障涂层中粘结层氧化的抑制行为研究

为了阐明La2Zr2O7(LZO)对热障涂层(TBCs)中粘结层氧化的抑制作用,利用爆炸喷涂(D-gun)在310S基体上制备NiCoCrAlY粘结层,大气等离子(APS)制备单陶瓷8YSZ涂层和双陶瓷LZO/8YSZ涂层。采用SEM、EDS和XRD表征了不同结构TBCs喷涂态及高温氧化后的微观组织和相结构。结果表明:1100℃下等温氧化(100 h)后双陶瓷LZO/8YSZ与单陶瓷8YSZ热障涂层相对氧化增重分别为2.82和3.13 mg/cm^2,热生长氧化物(TGO)生长速率常数Kp分别为5.79×10^-2和6.26×10^-2μm2/h,厚度分布范围分别为3.75~5.25μm和5~5.5μm。相比单陶瓷TBCs,LZO/8YSZ双陶瓷TBCs中粘结层表现出氧化增重少、TGO生长速率低、粘结层中β相转变慢等明显特征。