不同结构8YSZ热障涂层对CMAS沉积物的防护作用

利用常规等离子喷涂和高能等离子喷涂工艺分别制备了不同结构的8YSZ热障涂层，研究了不同结构涂层在高温退火（1250℃，2h）和燃气热冲击条件（1200℃／900℃）下对CMAS沉积物防护作用。结果表明：提高8YSZ涂层致密度和在其表面制备致密氧化铝封阻层可延缓CMAS沉积物渗入和反应，并提高涂层在CMAS耦合条件下燃气热冲击寿命，在孔隙率12．9％的8YSZ涂层表面制备厚度10～20gm致密氧化铝层，热冲击寿命提高4．4倍。8YSZ涂层致密度提高或表面致密氧化铝薄层制备，可进一步降低涂层表面粗糙度，同时燃气热冲击条件下氧化铝层自身逐层剥离的失效形式，均能减缓CMAS的粘附；1250℃下氧化铝层会溶解进入CMAS提高局部Al含量，从而使CMAS中局部低熔点相向高熔点钙长石相转变，会进一步提高界面稳定性。

CMAS渗入对等离子喷涂YSZ热障涂层形貌的影响

研究了等离子喷涂不同结构YSZ涂层在CMAS渗入作用下的形貌演变规律。对带有模拟CMAS沉积物的YSZ涂层进行高温热处理试验,并在低CMAS输送量条件下对YSZ涂层进行冲刷试验,试验后涂层均出现了严重的层间剥离失效。通过试验前后涂层的截面形貌及Raman光谱分析,结果表明:涂层的显微形貌变化主要表现在高温下熔融态CMAS沿涂层表面微裂纹和孔隙渗入内部,引起YSZ陶瓷层孔隙收缩、表层致密化,同时在涂层表面粘附的CMAS耦合作用下,YSZ涂层表层中产生大量横向微裂纹和明显分层;另外,YSZ涂层表层在CMAS中溶解并导致YSZ加速相变失稳也是影响涂层形貌变化和过快失效的因素之一。CMAS沉积层厚度增加时,同等条件下CMAS对涂层失效的影响会加剧。

一种新型CMAS耦合条件下热障涂层热循环实验方法

提出一种高温度梯度、燃气加热和CMAS(CaO-MgO-Al2O3-SiO2)沉积条件下热障涂层热循环实验方法,并对1200℃下CMAS沉积物对等离子喷涂热障涂层过早失效的影响因素进行讨论和分析。结果表明:无CMAS耦合条件下,热障涂层热循环寿命为573次;CMAS耦合条件下,热障涂层热循环寿命降低至70次。CMAS渗入会导致陶瓷层表层产生致密层和横向微裂纹增多。CMAS耦合条件下,热障涂层的失效以陶瓷层逐层剥离为主。

熔融硅酸盐环境沉积物(CMAS)在不同表面粗糙度的热障涂层表面润湿行为

随航空发动机涡轮端进口温度提高,硅酸盐环境沉积物(CMAS)成为高温部件热障涂层(TBCs)失效的重要威胁。研究热障涂层与CMAS的作用关系,可为提高热障涂层的服役寿命提供基础。目前表面粗糙度(Ra)对高温熔体润湿性能的影响并未形成明确统一的定论,针对TBCs/CMAS体系润湿性的研究较少。采用座滴法研究1300℃条件下氧化钇部分稳定氧化锆(YSZ)涂层Ra对熔融CMAS润湿行为和渗透行为的影响。结果表明,在研究的涂层表面粗糙度的范围内,随着Ra的减小,熔融CMAS的润湿半径减小,接触角增大,渗透深度减小。由此推断粗糙表面有利于涂层抗润湿性能的增强。粗糙涂层表面为熔融CMAS铺展提供驱动力,促进三相线的移动;同时,粗糙涂层表面具有更大的实际接触面积以及更多的渗透方向,为CMAS渗透提供了有利条件。研究结果可为进一步开发表面不浸润的抗CMAS腐蚀热障涂层提供理论和实践依据。

CMAS对DZ40M高温合金及其表面NiCrAlY涂层损伤作用研究

CMAS沉积物(CaO-MgO-Al2O3-SiO2,CMAS)已经成为制约航空发动机涡轮叶片热障涂层应用的核心问题,其显著降低热障涂层服役寿命,严重的甚至堵塞叶片气膜冷却孔,导致合金基体烧蚀和失效。本文针对DZ40M钴基高温合金和其表面NiCrAlY涂层,模拟了热障涂层陶瓷层失效后,CMAS沉积物对合金基体和粘结层的腐蚀作用。针对1100℃预氧化10h后的样品,在涂抹相同面密度的CMAS沉积物后,在1100℃、1150℃、1200℃和1250℃条件下保温10h,系统分析了不同温度下CMAS对合金及NiCrAlY涂层表面氧化膜的破坏作用,通过XRD、SEM和EDS等手段,阐明了温度在1150℃以下,CMAS沉积物主要对氧化膜产生粘附及热应力影响,导致冷却过程中的氧化膜剥落;当温度高于1200℃时,CMAS逐步熔融或渗入氧化膜内部,导致氧化膜开裂剥落加速,对金属粘结层和基体的损伤破坏作用加剧。

大气等离子喷涂热障涂层CMAS防护层成分及厚度优化

目的优化热障涂层(TBCs)CMAS(CaO-MgO-Al_2O_3-SiO_2)阻抗层的成分和厚度,使其能有效阻抗CMAS沉积物的腐蚀,并同时与热障涂层有较高的结合力。方法首先利用多孔无压烧结陶瓷块体研究了不同含量Al_2O_3和8YSZ(8wt.%氧化钇稳定氧化锆)均匀混合后在高温(1250℃)条件下对CMAS沉积物的防护作用。采用扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)以及X射线衍射(XRD)仪,分析研究了CMAS腐蚀层的显微结构、腐蚀深度及反应产物。其次,基于最优成分,利用大气等离子喷涂(APS)制备了具有8YSZ/Al_2O_3陶瓷层的热障涂层。对CMAS腐蚀厚度进行分析测量,提出CMAS阻抗层的厚度。结果 Al_2O_3的添加可以有效地阻碍CMAS的渗入,并且Al_2O_3含量越多,防护效果越好。但是CMAS的渗入深度和氧化铝的添加量呈非线性关系。结合TBC陶瓷层的热学性能和力学性能的要求,本实验中最佳的TBCs复合陶瓷层组分为70wt%8YSZ+30wt%Al_2O_3。基于实验结果,提出YSZ/Al_2O_3复合陶瓷层(50μm)-YSZ陶瓷层(150μm)的双层TBC陶瓷层结构,并综合计算出复合陶瓷层的热膨胀系数为9.93×10-6℃-1以及双层TBC陶瓷层的热导率为2.4 W/(m·K)。最后对Al_2O_3减缓CMAS腐蚀的机理进行了量化分析。结论 YSZ/Al_2O_3复合阻抗层的最优成分为70wt%8YSZ+30wt%Al_2O_3,厚度为50μm,能有效阻碍高温下CMAS腐蚀。

热障涂层抗CMAS腐蚀的表面改性研究进展

近年来,CaO-MgO-Al_(2)O_(3)-SiO_(2)(CMAS)的高温腐蚀成为热障涂层(TBCs)失效的重要原因,严重影响航空发动机热端部件的服役安全。表面改性作为提升热障涂层耐CMAS腐蚀性能的重要途径,不仅能够抑制熔融CMAS黏附在涂层表面,还能通过物理屏障或化学牺牲层的形式来阻挡熔融CMAS的渗入与反应。重点围绕国内外表面改性技术提高热障涂层抗CMAS腐蚀性能方面取得的研究与突破,根据作用机理划分为机械法、物理表面改性、化学表面改性和电化学表面改性四大类,阐述了这4类改性技术的原理与应用,同时归纳了不同表面改性工艺的优缺点。探讨了第一性原理计算与有限元模拟在稀土氧化物掺杂的氧化钇稳定的氧化锆、稀土锆酸盐、稀土钽酸盐和钙钛矿等新型热障涂层陶瓷材料方面的研究进展,以充分了解涂层微观组织结构和界面结构演变,为新型热障涂层的设计研究提供指导。最后,展望了TBCs在高温环境应用以及腐蚀防护的发展方向。

气膜冷却共轭传热性能对CMAS颗粒沉积规律影响研究

基于颗粒速度、温度、粘度和组分之间的函数关系以及与壁面的碰撞、反弹、粘附和去除机制,建立了CMAS(CaO-MgO-Al;O;-SiO;)颗粒在涡轮叶片表面沉积的数学模型,研究了不同吹风比0≤M≤2和粒径下气膜冷却共轭传热性能对气膜冷却有效度、CMAS沉积效率和沉积规律的影响规律。结果表明:当吹风比为0≤M≤2时考虑共轭传热的平均气膜冷却有效度随吹风比非线性增大,M>1.5时气膜孔下游出现明显的对转涡对和冷却剂射流分离;气膜孔出口存在被CMAS堵塞的潜在风险,小吹风比时气膜孔被严重堵塞,大吹风比时气膜孔间以及下游气膜覆盖间隙处形成典型的扇形周期性沉积"犁沟",CMAS沉积效率随吹风比的增大而减小;分析工况下,随着粒径增大沉积效率显著降低,粒径为4μm时沉积效率最大,可达28.5%。

EB-PVD热障涂层系统界面应力的理论分析

目的获得热障涂层系统危险界面应力解析解及其变化规律。方法基于弹性理论,推导出能同时考虑氧化物热生长及其形貌、CaO-MgO-Al2O3-SiO2(CMAS)沉积、温度变化、材料参数不匹配的危险界面应力分布的解析解。分别研究热循环中氧化层热生长和CMAS沉积对热障涂层界面应力的影响,并从应力演化的角度对危险界面微裂纹的萌生和扩展进行预测。结果理论分析显示,当系统经历24个热循环后,陶瓷层/氧化物层界面波谷应力σv从最初的0增加到301.44MPa。氧化物层/粘结层界面波峰应力σp从最初的617MPa增加到1189.89MPa。当CMAS沉积深度hCMAS从0增加到150μm时,应力σv从170.26MPa增加到443.37 MPa,应力σp从1317.83 MPa减小到1050.17 MPa。结论氧化物热生长可以促使陶瓷层/氧化物层界面波谷和氧化物层/粘结层界面波峰裂纹的萌生和扩展。CMAS沉积将进一步促使陶瓷层/氧化物层界面开裂,然而对氧化物层/粘结层界面的开裂有抑制作用。解析解的计算结果与先前的有限元分析结果和模型试验结果相近,证明了该理论方法计算界面应力的准确性。

高熵陶瓷在热障涂层与环境障涂层中的研究进展

热障涂层(TBCs)和环境障涂层(EBCs)是航空发动机的关键技术之一。TBCs可以大幅提高发动机高温合金热端部件的工作温度,EBCs可以有效保护发动机陶瓷基复合材料高温部件。高熵陶瓷(HECs)一般指的是多种组分(5种或以上)以等原子比或接近等原子比形成的固溶体,其性能具有“鸡尾酒”效应,展现出常规陶瓷材料不具备的优异性能。HECs概念被提出以来已经在很多领域被广泛研究,成为陶瓷材料研究领域的热点。在TBCs与EBCs领域,研究者们对HECs也开展了大量的研究工作,取得了很多研究成果。对国内外已经报道可以用于TBCs和EBCs的新型HECs材料进行了分类总结,介绍了它们的制备方法、晶体结构、热导率、热膨胀系数、力学性能、环境沉积物(CMAS)腐蚀行为以及HECs涂层的制备与性能,并对HECs在TBCs与EBCs中的发展前景进行了展望。