热障涂层对DD6单晶高温合金高周疲劳性能的影响

目的研究电子束物理气相沉积热障涂层对单晶高温合金高周疲劳性能的影响,为热障涂层在涡轮叶片上的应用提供技术支持。方法采用真空电弧镀和电子束物理气相沉积工艺制备YSZ热障涂层,进行900℃条件下高周疲劳性能测试,采用扫描电镜对测试后的试样表面、断口形貌进行观察与分析。结果在900℃、380 MPa条件下,带涂层的DD6单晶试棒循环次数(Nf)超过了107,420 MPa条件下超过了106。通过对DD6单晶试棒断口分析,失效后的带涂层试棒仍以DD6单晶常见滑移解离形式发生破坏。结论高周疲劳性能测试条件下,带YSZ热障涂层的试棒中粘结层率先产生垂直微裂纹,但是裂纹扩展延伸中发生氧化钝化,之后DD6基体沿正常的滑移方向从表面向内部疲劳扩展,带涂层的试棒疲劳裂纹并非由涂层微裂纹直接扩展形成,热障涂层对DD6单晶高温合金高周疲劳性能影响较小。     

力学载荷条件下 EB-PVD 热障涂层损伤行为研究

目的研究力学载荷条件下EB-PVD热障涂层的损伤行为。方法采用电子束物理气相沉积工艺(EB-PVD)制备热障涂层(TBCs),利用SEM和体式显微镜对力学性能试验后带涂层试样的断口特征、裂纹形貌和金相组织进行观察,分析热障涂层在拉伸、持久和旋转弯曲疲劳等典型力学载荷条件下的损伤行为。结果在室温拉伸条件下,陶瓷层内先出现垂直于应力轴、沿柱状晶簇扩展的平行环状周向微裂纹,随着拉伸塑变量的增加,局部区域裂纹贯穿粘结层并进入合金基体;900℃高温拉伸条件下裂纹也产生于陶瓷层,但裂纹均钝化于粘结层与陶瓷层的界面,并穿透粘结层。在持久条件下,试样在弹性变形阶段涂层即发生开裂,随后沿着陶瓷层柱状晶簇间扩展,但未扩展至粘结层;在高温高周疲劳条件下,裂纹首先出现在粘结层,随后向基体逐渐扩展,扩展深度较浅,而基体疲劳裂纹在粘结层裂纹末端萌生并倾斜滑移扩展。结论提高粘结层韧性、减少粘结层中裂纹萌生和向基体扩展,是热障涂层材料和工艺优化的有效途径。     

常温酸性腐蚀对热障涂层性能的影响

采用酸性盐雾腐蚀试验对物理气相沉积法制备的热障涂层进行了常温腐蚀,研究了常温酸性盐雾腐蚀对热障涂层的微观形貌以及高温性能的影响.试验结果表明：常温酸性腐蚀使热障涂层表面变得粗糙不平,产生了较大的裂纹.经过150次高温循环氧化后,顶层氧化锆晶粒排列疏松,裂纹进一步扩展,中间层--粘结层氧化速度加快,生成了疏松的TGO层.TGO的体积膨胀效应使得陶瓷/粘结层界面结合力降低,缩短了涂层的使用寿命.     

热处理温度对热障涂层微观形貌及元素互扩散的影响

目的提高热障涂层抗氧化性能,并减小二次反应区的形成。方法采用真空电弧离子镀技术在二代单晶高温合金DD32表面制备NiCoCrAlYHf(HY5)金属粘结层,分别在870℃及1000℃下进行真空扩散处理,利用电子束物理气相沉积(EB-PVD)技术制备氧化钇部分稳定氧化锆(YSZ)陶瓷层。采用扫描电子显微镜(SEM)、电子探针(EPMA)以及能谱(EDS)等测试方法,研究高温循环氧化过程中热障涂层的微观形貌、成分及扩散机制,同时计算了1、125 h氧化时间下Al元素互扩散系数。结果经过1000℃热循环、1000℃热处理的涂层氧化质量增量的绝对值较小,氧化速率常数为7.21×10-4,抗循环氧化性能较好。1100℃热处理试样,从涂层表面到基体方向Ni、Al、Cr等元素分布都比较均匀,在涂层与基体界面处,元素含量变化较为平滑。870℃热处理试样,Ni等元素质量分数分布不均,在涂层与基体界面处元素含量陡然变化,元素均质化程度低。Al元素扩散系数随着浓度的增加而增大,随着氧化时间的延长,粘结层与高温合金之间的元素扩散程度加剧,Al元素扩散系数减小。经过125h循环氧化,粘结层/基体界面出现互扩散区,互扩散区局部区域富Cr,Al含量低。循环氧化250 h后,热障涂层试样扩散区下方有拓扑密堆相TCP析出,形成二次反应区SRZ。真空扩散温度为870℃的试样,二次反应区更加明显。结论金属粘结层在1000℃下进行真空热处理可以有效提高涂层的抗氧化性能。涂层内部元素均质化程度高,Al元素扩散速率慢。同时,扩散区宽度较小,二次反应区不明显。     

等离子喷涂耐高温抗氧化涂层的研究进展

利用等离子喷涂技术在工件表面制备抗高温氧化涂层,能显著提高工件的抗氧化性能。综述了目前国内外抗高温氧化涂层和热障涂层的研究现状。详细介绍了金属间化合物和MCrA lY两种耐高温抗氧化涂层的组织性能及其抗氧化原理。阐述了影响热障涂层性能的3种主要因素,分析了热障涂层由于热生长氧化层(TGO)的存在而引起的失效机制。指出了等离子喷涂制备耐高温抗氧化涂层存在的主要问题,并提出了几种解决思路,展望了等离子喷涂制备抗氧化涂层的应用前景。     

物理气相沉积硬质耐腐蚀磨损防护涂层研究进展

叙述了用物理气相沉积技术制备的硬质耐腐蚀磨损防护涂层的研究进展。重点介绍了腐蚀磨损耦合工况特性和作用机理,单元、多元掺杂氮化物涂层,高熵氮化物涂层,多层、纳米多层、纳米复合、梯度氮化物涂层耐腐蚀磨损性能研究,非金属元素/金属元素掺杂DLC涂层、多层复合DLC涂层耐腐蚀磨损性能研究,并对涂层改性、强化机理和腐蚀磨损失效机制进行了总结。最后,提出了未来物理气相沉积硬质耐腐蚀磨损防护涂层重点发展的方向,应重点发展涂层组元/结构设计、力–电耦合损伤机理研究、高效率研发设计、涂层先进制备装备与评估体系等方面的能力。     

采用Pt、Dy改性粘结层的铈酸镧/氧化锆双陶瓷层抗氧化行为研究

目的研究Pt、Dy改性粘结层的铈酸镧/氧化锆双陶瓷层的抗氧化行为。方法采用电镀+EB-PVD的方式在高温合金表面制备带有Pt、Dy掺杂NiAl粘结层的热障涂层(Thermal Barrier Coatings TBCs)。采用双陶瓷层结构设计,顶层为铈酸镧(La_2Ce_2O_7),底层为氧化锆(YSZ)。对涂层在1200℃条件下的热循环行为、微观组织以及失效机制进行了研究。结果经过500次循环后,不掺杂涂层YSZ层与热生长氧化物(TGO)处出现了大量裂纹,Pt/Dy共掺杂的涂层经过1000次循环后界面处结合良好,仅仅是在La_2Ce_2O_7陶瓷顶层中出现了少量的微裂纹。结论在粘结层中加入Pt元素,能有效抑制互扩散区难溶相的析出,延缓涂层的蜕化。     

气相沉积概貌

气相沉积技术虽问世近百年,但真正应用于生产还是在本世纪五十年代之后。初期的气相沉积工艺——化学气相沉积,其沉积温度高达900～1100℃。严重的相变后果与形变,便涂覆对象仅限于硬质合金刀具。自从七十年代初期物理气相沉积超硬膜的问世及各种物理、化学的增强措施运用于气相沉积技术后,气相沉积步入崭新阶段,无论     

航空发动机涡轮叶片热障涂层冲蚀试验装置的研制

目的通过研制热障涂层冲蚀服役环境的模拟装置,来研究冲蚀失效机制。方法通过研制模拟热障涂层高温热冲击的燃气喷枪,在喷枪中设计速度、流量可控的颗粒送料系统,同时在装置中集成裂纹演化实时检测的声发射系统。结果该系统实现了热障涂层冲蚀服役环境的模拟,温度场、裂纹演化损伤参量的同步采集、输出与显示,从而完成了冲蚀服役环境模拟与关键损伤参量实时检测的一体化设计。结论装置能完成热障涂层常温、高温等各种服役温度、各种冲蚀角度、各种冲蚀速度等条件下的模拟试验,并提供较为系统的损伤参量检测数据,为理解热障涂层的冲蚀机理、优化其设计制备提供有效的试验数据。     

多层沉积SiC涂层与石墨基体的界面表征

目的制备并表征在柔性石墨纸基体上化学气相沉积(CVD)的多层SiC涂层,及其界面结构、界面处的元素分布等。方法以柔性石墨纸为基体、甲基三氯硅烷(MTS)为硅源、H2为载气和还原剂、Ar为稀释气,在1030～1070℃温度区间通过真空感应高温炉在石墨基体上分5次制备了多层SiC涂层。通过SEM和EDS表征并分析该涂层的表面结构和切面结构,以及涂层与基体界面处的元素分布。结果在石墨基体上有效制得了多层SiC涂层,获得的SiC涂层具有明显的两级颗粒结构。经EDS分析确认,在不同沉积层,C与Si的比例的不同。结论实验证实SiC与基体石墨具有良好化学相容性。SiC涂层表面表观致密,纳米尺度堆积颗粒表观致密,但在微米尺度的堆积颗粒间存在空隙。多层涂层间具有1～3μm的不致密SiC间隙。涂层一侧距界面10μm处的元素分布显示,Si和C元素化学计量比趋近于1︰1,可以认为是涂层的过渡层。     

Simulation model for an EB-PVD coating structure using the level set method

A comprehensive modeling approach to link machine dynamics, deposition, and substrate kinematics in an electron beam physical vapor deposition (EB-PVD) is presented in this paper. The machine dynamics in EB-PVD process are captured by finite element models, resulting in the prediction of evaporation rate and vapor distribution. The deposition process is modeled using the level set method, which is one of the computational techniques for tracking topographic evolution. The proposed simulation model is implemented in Matlab and is compared with experimental results published by other researchers. Results indicate that the proposed simulation model can be used to predict microstructure features such as zigzag and helical columnar shapes. The pitch of a zigzag microstructure can be predicted within 20% at the 0.3 to 6 μm level for Yttira-stabilized Zirconia (YSZ) coating.     

铂改性铝化物涂层的高温防护性能研究

目的研究1100℃下铂改性铝化物(Pt-Al)涂层在空气中的高温氧化行为。方法采用化学气相沉积(CVD)方法在单晶高温合金基体上制备铂改性铝化物(Pt-Al)涂层,采用X-射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)等方法分析Pt-Al涂层在高温氧化过程中相结构、显微组织和成分的演变规律。结果经1100℃氧化250 h后,Al涂层及Pt-Al涂层的氧化动力学曲线符合抛物线演变规律,Pt-Al涂层的涂覆对基体合金的抗高温氧化性能的提高要优于Al涂层;经过150 h氧化后涂层出现了氧化膜剥落现象,同时涂层内部也出现了"地道"现象。结论 Pt-Al涂层对基体高温抗氧化性能有积极效果。     

铌合金表面热防护涂层研究进展

作为武器装备、航空航天等多种现代工业领域热端部件中应用十分广泛的结构材料,铌合金在高温富氧燃流的冲刷下会发生严重的烧蚀现象,进而影响了其在超高温环境下的使用性能。研究发现,采用表面涂层技术能够有效提升铌合金的高温抗烧蚀性能。因此结合热端部件富氧、超高温的实际服役环境,首先介绍了国内外铌合金表面抗氧化烧蚀涂层领域的研究现状,对比分析了金属基和硅系陶瓷抗烧蚀涂层各自在抗氧化烧蚀性能上的优缺点;然后综述了近年来国内外有关热障涂层的研究进展,归纳总结了ZrO2基陶瓷涂层、稀土锆酸盐陶瓷涂层以及钙钛矿结构陶瓷涂层三种热障涂层材料的特点;最后对铌合金表面热防护涂层的结构设计以及未来的研究方向进行了展望。     

AlCrSiN/AlCrN/AlCrON/AlCrN多层复合涂层的研究

目的 解决硬质合金刀具高速干切削难加工材料面临效率低、寿命短的难题,提升刀具涂层的耐热能力,在AlCrSiN涂层中周期性植入AlCrON热屏障层,并在其两侧沉积AlCrN层进行包夹,改善含氧层的韧性,既能保持涂层刀具较高的强度,又能改善其耐热能力.方法 采用全自动电弧离子镀膜机,研制具有不同调制周期的AlCrSiN/A...     

电镀锌涂装性能的影响因素及改善

从涂装过程的润湿、吸附、扩散及化学反应等涂装界面作用机理分析了导致电镀锌涂装性能差的原因,并针对电镀锌层和有机涂料的特点,从电镀锌层结构及其表面处理两个方面介绍了目前能够有效改善电镀锌层涂装性能的一些方法,其中磷化处理是目前最成熟、应用最多的处理方式,不仅能提高涂层结合力,还能进一步提高对基体的防护性能。     

难熔金属表面高温防护涂层研究进展与技术展望

回顾了难熔金属五大高温防护涂层体系的发展现状,即生成保护性氧化膜的金属间化合物涂层、贵金属涂层、生成保护性氧化膜的合金涂层、惰性氧化物陶瓷涂层以及玻璃陶瓷基复合涂层,总结了这些涂层的高温防护机理、制备方法以及失效机制。基于单一的传统高温防护涂层体系已经难以满足新一代高比冲姿、轨控火箭发动机以及高超声速飞行器热端部件对高温防护涂层提出的抗超高温氧化性能、优良的抗热震性能、良好的抗热冲刷(烧蚀)性能以及长服役寿命等性能需求的现状,简要介绍了过渡族金属的硼化物、碳化物等几种潜在的新型高温防护涂层材料体系,以及相应的涂层制备方法,这些新型涂层体系的发展有望满足现代宇航工业难熔金属热端部件的高温防护需求。     

海洋环境设备涂层老化和失效的影响因素研究

目的 研究海洋设备涂层老化和失效的影响因素。方法 选择现有海洋设备涂层进行户外暴露试验和实验室加速环境试验,分析防护涂层的失光度和色差变化规律。结果 在实验室条件下成功模拟了加速海洋环境中的涂料老化,加速试验结果与户外暴露结果相关性较高。在海洋自然环境下暴露6个月后,涂层失光率降低,暴露18个月后出现粉化。结论 利用紫外光老化和盐雾试验,设定合适的环境试验参数后,实验室加速环境试验可代替户外暴露试验,缩短试验周期。涂层的配套设计、涂敷的基材结构形状、涂层施工过程等因素可直接影响涂料的老化、失效,进而引起基体腐蚀。