新一代超高温热障涂层研究
作者：郑蕾， 郭洪波， 郭磊， 彭徽， 宫声凯， 徐惠彬， ZHENG Lei， GUO Hong-bo， GUO Lei， PENG Hui， GONG Sheng-kai， XU Hui-bin
作者单位：北京航空航天大学材料科学与工程学院,北京,100191
刊名：
航空材料学报
英文刊名：Journal of Aeronautical Materials
年，卷(期)：2012,32(6)
被引用次数：2次
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引用本文格式：郑蕾.郭洪波.郭磊.彭徽.宫声凯.徐惠彬.ZHENG Lei.GUO Hong-bo.GUO Lei.PENG Hui.GONG Sheng-kai.XU Hui-bin 新一代超高温热障涂层研究[期刊论文]-航空材料学报 2012(6)
收稿日期:2009206201; 修订日期:2009206225 作者简介:邢亚哲(19762 ),陕西岐山人,讲师,博士.研究方向:材料表 面强化及器件制造. Email:x ingyazhe@gm https://www.doczj.com/doc/1b2616669.html, 热障涂层的制备及其失效的研究现状 邢亚哲,郝建民 (长安大学材料科学与工程学院,陕西西安710064) 摘要:热障涂层作为航空发动机和燃气轮机高温部件的保护涂层,其抗高温失效能力直接决定了部件的工作效率和寿命。回顾热障涂层的发展历史及研究现状,着重介绍了热障涂层的主要制备方法及其相应涂层的结构特征,综述了各类热障涂层失效的影响因素和失效机理。 关键词:热障涂层;电子束物理气相沉积;等离子喷涂;失效机理 中图分类号:TG174.44 文献标识码:A 文章编号:100028365(2009)0720922204 Re se a rc h Stat us in Fa bric at ion and Fa ilure of The rmal Barrie r Co atings XING Ya 2zhe,HAO Jian 2min (School of Mater ials Science and Engineering,Chang p an University,Xi p an 710064,China) Abst ract:Thermal barrier coatings are widely used to protect the components in aircraft and industrial gas 2turbine engines against high temperature damage.The e ne rgy efficiency and lifetime of these components are mainly dominated by the failure resistance of thermal barrier coatings in the high te mperature atmosphere.In this paper,the development and research status of thermal barrie r coatings are reviewe d.Especially,the main fabricating methods and the microstructure fe ature of the coatings,as well as the factors re sulting in the failure of thermal barrier coatings and its failure mechanisms,are summarized in detail. K e y words:Thermal barrier coatings;Electron beam physical vapor deposition;Plasma Spraying; Fa ilure mechanism 随着现代工业的发展,数以百计种类型的涂层被用在各种结构材料表面,以使这些材料表面免受腐蚀、磨损、侵蚀和高温氧化等危害。热障涂层(T BCs:Thermal Barrier Coatings)就是其中的一种,其具有最复杂的结构且工作在高温环境下,常作为航空发动机和燃气轮机受高温零件的保护涂层,以提高设备的工作温度和效能,同时减少温室气体的排放量。典型的TBCs 在结构上包含四个部分 [1] :1基体,即被保护的 零件;o金属结合层(BC:Bond Coat),通常为高温合金MCrA lY(M 代表Ni 、Co 或NiCo 合金);?热生长氧化物层(T GO:Thermally Grown Oxide),TGO 是在高温条件下外部氧通过T C 层到达BC 层表面并使其氧化而形成的,通常为一致密的Al 2O 3薄膜,在随后的工作过程中能够阻止外部氧向BC 层内部和基体的扩散,起到保护基体(零件)的作用;?陶瓷顶层(TC:Top Coat),一般为6%~8%Y 2O 32Zr O 2(YSZ), 正是由于YSZ 低的热传导率和相对较高的热膨胀系数,使其具有优越的热障和耐热冲击性能。目前,TBCs 研究的难点和重点主要为对其失效的控制[1~4]。为此,对TBCs 微观结构的研究显得尤为重要。而作为控制其微观结构的主要因素,即TBCs 的制备工艺就成了国内外学者们关注的热点。1 基于制备工艺的T BCs 的发展历程 早期在航空航天发动机中应用的TBCs(又称第一代T BCs),其BC 层和TC 层均采用大气等离子喷涂(APS:Atmospheric Plasma Spr aying)制备。对于APS BC 层,涂层含氧量较高,特别是有一定量的氧化镍生成,而氧化镍的存在致使难以形成在高温下具有保护性能的致密TGO 氧化膜,BC 层使用过程中容易在其内部也发生显著氧化而使层内结合弱化,裂纹易在BC 层内扩展而造成涂层剥落失效,使得该类T BCs 寿命较低。 随着低压(又称真空)等离子喷涂(LPPS:Low Pressur e Plasma Spraying)技术的进步和发展,逐步采用VPS 制备BC 层,避免了喷涂过程中高温合金BC 层的氧化,并通过热扩散处理,从根本上强化了BC
(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910275801.1 (22)申请日 2019.04.08 (71)申请人 大连理工大学 地址 116024 辽宁省大连市甘井子区凌工 路2号 (72)发明人 吴东江 刘妮 牛方勇 马广义 余超 散俊德 (74)专利代理机构 大连理工大学专利中心 21200 代理人 李晓亮 潘迅 (51)Int.Cl. C23C 24/10(2006.01) B22F 3/105(2006.01) B33Y 10/00(2015.01) B33Y 30/00(2015.01) B33Y 70/00(2015.01) (54)发明名称一种激光增材制造热障涂层材料的方法(57)摘要本发明提供一种激光增材制造热障涂层材料的方法，属于增材制造领域。该方法主要是采用激光直接沉积技术在NiCrAlY基体中混入不同含量的Al 2O 3增强基体性能。主要步骤包括：步骤A，调整送粉器送粉速率使Al 2O 3占二者混合粉末质量分数范围为5％～25％；步骤B，调整工艺条件，确定NiCrAlY送粉速率为1.5～2g/min，调整激光扫描速度100～400mm/min。步骤C，实际成形，成形不同结构件时工艺参数需要进行相应调整。本发明采用Al 2O 3增强NiCrAlY基体，提高金属基体的耐磨性并且一定程度上提高金属基体的综合力学性能，降低NiCrAlY的摩擦系数。另外，本发明采用激光增材制造技术相比于等离子喷涂等方法可以灵活的控制粉末的比例，实现两种粉末不同比例混合成形，而且成形组织致密， 层间结合力良好。权利要求书1页 说明书3页 附图1页CN 109811338 A 2019.05.28 C N 109811338 A
*2005民口配套项目 周洪:男,1972年生,博士生,讲师,主要从事材料表面技术的研究工作 E -mail :zhouhong @https://www.doczj.com/doc/1b2616669.html, 热障涂层材料研究进展* 周 洪,李 飞,何 博,王 俊,孙宝德 (上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室,上海200030) 摘要 简要概述了热障涂层材料的基本要求,介绍了国内外热障涂层材料近年来的研究状况和发展趋势。目前 广泛使用的是Y 2O 3稳定Z rO 2热障陶瓷材料及其粘结层材料,而稀土锆酸盐和稀土氧化物是非常有前景的隔热材料。 关键词 热障涂层 M C rAlY 二氧化锆 Research Progresses in Materials for Thermal Barrier Coatings ZHO U Hong ,LI Fei ,HE Bo ,WANG Jun ,SUN Baode (T he Sta te K ey Labor atory of M e ta l M at rix Co mpo sitio ns ,Shanghai Jiao tong U niver sity ,Shanghai 200030) A bstract T he rmal bar rie r coating s (T BCs )o ffer the po tential to significantly improve efficiencies of aero en -g ines a s w ell as g as turbine engines fo r po wer generatio n.State -of -the -ar t T BCs ,ty pica lly consisting of an y ttria -stabi -lized zir co nia top coat and a metallic bo nd co at ,hav e bee n widely used to prolong lifetime now adays.In the pape r ,re -sear ch status a nd prog resses o f materials for the rmal bar rie r coating s a re briefly rev iew ed.Except y ttria stabilized zir -co nia ,o ther materials such a s lanthanum zirconate and rar e ear th o xides a re also promising materials for thermal bar rie r co ating s. Key words ther mal bar rier co atings ,M CrA lY ,zir co nia 0 引言 热障涂层(T hermal bar rier coating s ,简称T BCs )通常是指沉积在金属表面、具有良好隔热效果的陶瓷涂层,主要用来降低 基体的工作温度,免受高温氧化、腐蚀、磨损。美国N AS A -Lew is 研究中心为了提高燃气涡轮叶片、火箭发动机的抗高温和耐腐蚀性能,早在20世纪50年代就提出了热障涂层概念。在涂层材料选择和制备工艺上进行较长时间的探索后,80年代初取得了重大突破,为热障涂层的应用奠定了坚实基础。文献表明,目前先进陶瓷热障涂层能在工作环境下降低零件温度170℃左右[1～3]。随着热障涂层在高温发动机热端部件上的应用,人们认识到热障涂层的应用不仅可以达到提高基体抗高温腐蚀能力,进一步提高发动机工作温度的目的,而且可以减少燃油消耗、提高效率、延长热端部件的使用寿命。与开发新型高温合金材料相比,热障涂层的研究成本要低得多,工艺也现实可行[2,4]。 1 热障涂层系统材料体系 高温隔热涂层的研究发展经历了数十年。20世纪60年代研制出β-NiA l 基铝化物涂层,但其脆性大,A l 元素向基体扩散 快,寿命短;之后出现了加入Cr 、Ti 、Si 、Y 、T a 、Pt 等元素改进的铝化物涂层,其中镀Pt 渗Al 形成的铂铝涂层具有较长的寿命。目前普遍使用的热障涂层系统是以M Cr AlY (M =N i ,Co ,Fe ,N i +Co )高温抗氧化合金为中间粘结层,表面覆盖Y 2O 3稳定的Z rO 2陶瓷隔热涂层[5,6]。 1.1 热障涂层陶瓷材料 热障涂层材料需要具有难熔、化学惰性、相稳定和低热导、低密度、高热反射率等重要物理化学特征,同时要考虑其热膨胀 系数与基体材料相匹配。另外,针对高温部件氧化腐蚀的问题,应当考虑低烧结率、界面反应和抗高温氧化腐蚀等因素。 陶瓷材料具有离子键或共价键结构,键能高,因此熔点高、硬度高、化学性能稳定,是热障涂层的理想材料。但韧性、抗疲劳性和抗热震性较差,对应力集中和裂纹敏感。目前使用的热障涂层陶瓷材料多为金属氧化物,这是因为金属氧化物陶瓷的导热以声子传导和光子传导机理为主,热导率较低且其涂层在富氧环境中具有良好的高温稳定性[7]。常用氧化物陶瓷的导热顺序为[8]: BeO >M g O >Al 2O 3>CaO >Z rO 2 常用热障涂层陶瓷材料有Al 2O 3、Z rO 2、SiO 2等,主要性能如表1所示[6,8～10]。 研究表明[1,2,4,9～12],Z rO 2是目前应用广泛、综合性能最好的热障涂层材料。它具有高熔点、耐高温氧化、良好的高温化学稳定性、较低且稳定的热传导率和优良的抗热震性等特性,并且热膨胀系数接近金属材料。纯Zr O 2具有同素异晶转变,常温下稳定相为单斜结构;高温下稳定相则为立方结构: 单斜相(m ) 1170℃950℃ 正方相(t )2370℃ 立方相(c ) 单斜相与四方相间转化因伴有3%～6%的体积分数变化而导致热应力产生,因此,使用纯Z rO 2制备的热障涂层不稳定。为避免这个缺点,可采用M gO 、CaO 、CeO 2、Sc 2O 3、In 2O 3、Y 2O 3等氧化物来稳定Z rO 2,起到相变增韧的效果[8]。最早使用的是22%M gO 完全稳定的Zr O 2,在热循环过程中M gO 会从固溶体中析出,使涂层热导率提高,降低了涂层的隔热性能。CaO 对Zr O 2的稳定也不好,在燃气的硫化作用下,CaO 从涂层
关于先进热障涂层的综述 摘要：在过去的几十年中，许多陶瓷材料都被作为新型的热障涂层材料，其中很大一部分都是氧化物。由于它独特的性能，这些新型化合物很难与最先进的热障涂层材料YSZ相媲美。另一方面，由于YSZ有一些缺点，尤其是在1200℃以上时它有限的高温性能使得在先进的燃气轮机中YSZ被其他材料所取代。 本篇文献是对不同新型涂层材料的综述，尤其是参杂氧化锆、烧绿石、钙钛矿和氯酸盐等材料。文献的结果还有由我们的研究调查得出的结果都将同我们的要求相比较。最终，我们将讨论双层结构这个概念。它是一种克服新型热障涂层材料冲击韧性的方法 关键词：热障涂层、氧化锆、烧绿石、钙钛矿、氯酸盐、热导率 一、简介 TBC系统是典型的双层式结构，它包括金属粘结层和陶瓷顶层。粘结层是保护基层氧化和腐蚀的并有改善陶瓷层和基层之间结合强度的作用。陶瓷顶层相比金属机体而言拥有很低的热传导率，通过内冷发陶瓷层可以实现一个很大的温差度（几百K）。因此，它既可以降低金属基体的温度以提高部件的使用寿命又可以提高涡轮发动机的点火温度来提高它的工作效率。 自19世纪50年代第一个军用发动机搪瓷涂层的制造起热障涂层开始了工业化发展。在19世纪60年代，第一个带有NiAl粘结层的火焰喷涂陶瓷涂层应用于商业航空发动机上。接下来的几十年中，热障涂层材料和喷涂技术持续的发展。19世纪80年代热障涂层迅猛发展。在这十年中，氧化钇稳定的氧化锆（YSZ）被认为是一种特殊的陶瓷顶层材料，因为它作为一个近30年来的标准而被确立。 根据沉积工艺的不同，已经确立了两种不同的方法。一种是电子束物理气相沉积（EB-PVD），另一种是大气等离子喷涂（APS）。电子束物理气相沉积法制备的涂层拥有柱状显微结构并被广泛应用于航空发动机的高热机械载荷叶片中。同电子束物理气相沉积法相比，大气等离子喷涂以它的操作粗放度及经济可行性为傲，因此现在更多的TBC 采用这种方法。典型静态部件，像燃烧器罐和叶片平台都是用APS进行喷涂。在固定的燃气轮机中，其叶片也常使用热喷涂的方法进行喷涂。 燃气涡轮机效率的进一步提升有赖于燃烧及冷却技术的进步与更高的涡轮机入口温度相结合。这意味着由于在高温下烧结和相转变，标准材料YSZ必然会接近它的极限。 由EB-PVD和APS方法加工的YSZ包含亚稳态的T`相。长时间处于高温下，它能够
电子束物理气相沉积(EB-PVD)技术制备热障涂层技术 黄升 摘要：本文介绍电子束物理气相沉积（EB-PVD）制备热障涂层技术，结合发展历程综述其技术原理、设备构造及工艺特点。 关键词：电子束物理气相沉积（EB-PVD）热障涂层 1 引言 当今航空涡扇发动机正朝高流量比、高推重比和高涡轮进口温度方向发展，这就使得发动机叶片所承受温度不断升高，据报道目前商用飞机燃气温度达1500 °C、军用飞机燃气温度高达1700 °C[1]。而当前所使用镍基高温合金最高工作温度只能达到1200 °C，并几乎已达到其使用温度上限，提升空间极其有限。面对发动机使用的高温障碍，降低发动机叶片温度就成了极其关键的任务。热障涂层就是一种降温的有效途径（见图1），自20世纪70年代初问世以来[2]，受到广泛重视并迅速发展成为高温涂层研究的热点[3-8]。 图1 涡轮叶片承温能力 所谓热障涂层（Thermal Barrier Coatings, TBCs）是指由金属缓冲层或者黏结层和耐热性好、隔热性好的瓷热保护功能层组成的层合型金属瓷复合涂层系统[9]。一般由具有一定厚度和耐久性的瓷涂层、金属粘结层和承受机械载荷的合金组成。目前根据不同设计要求热障涂层具有如图2所示双层、多层、梯度系统三种结构形式。 图2 热障涂层结构示意图 而电子束物理气相沉积（Electron bean-physical vapor deposition EB-PVD）制备热障涂层（TBCs）是在20世纪80年代开发，近年来不断发展成熟起来的新技术，其使用高能
电子束加热并汽化瓷源，瓷蒸汽以原子形式沉积到基体上而形成涂层。EB-PVD法制备的TBCs涂层表面光洁，有良好的动力学性能；涂层/基体的界面以冶金结合为主，结合力强，稳定性好。特别是其制备涂层组织为垂直基体表面柱状晶结构，具有很高的应变容限，较热喷涂制备涂层热循环寿命提升巨大。另外EB-PVD工艺技术精密，具有良好的可重复性。 简而言之，EB-PVD法制备热障涂层是兼具优良性能和巨大应用潜力的前沿技术。 2 EB-PVD技术发展历程 EB-PVD技术是伴随着电子束与物理气相沉积技术的发展而发展。直到上世纪中叶，电子束与物理气相沉积技术结合并成功地用于材料焊接及镀膜（或涂层）的制备。20世纪80年代，美国、德国等西方国家开始利用EB-PVD工艺制备热障涂层，但由于该设备在西方国家价格昂贵，且制备成本高，这使得对EB-PVD 技术的开发曾经一度停止[10, 11]。 20世纪50年代，前联对EB-PVD设备和工艺的投入全部集中在乌克兰巴顿焊接研究所，该所设计制造了30多台各种类型的EB-PVD设备。前联解体后，在科学院院士B A Movchen 的领导下，乌克兰巴顿焊接研究所成立了电子束国际中心（International Center for Electron Beam Technologies, ICEBT），并将EB-PVD设备的成本降低到接近西方国家同类设备的1/5。该中心成功地在叶片上制备出热障涂层，现已得到应用。到了上世纪九十年代中期，随着乌克兰巴顿焊接研究所研制的低成本的EB-PVD设备在世界各国的推广，从而掀起了EB-PVD技术的开发的新热潮[12-14]。 鉴于等离子喷涂（APS）涂层表面粗糙度大、孔隙多，难以适应气动性要求高的飞行器发动机涡轮转子叶片，加之APS涂层热稳定性和抗热冲击、热腐蚀性差。因此自20世纪70年代开始国外对EB-PVD制备TBCs开展了大量研究，自20世纪80年代美国、德国均获得可成功的应用[15]。由于EB-PVD TBCs柱状组织结构，能非常牢固地粘接在金属基体上，当基体受热膨胀时，柱状瓷晶体在水平方向具有大膨胀系数与基体匹配，在平面的氏模量较低，可更多地释放热应力，具有较好的抗热冲击性。正是这种高应力容限，使这种TBCs在高应力发动机上成功工作而不致剥落。这种特性是等离子喷涂TBCs不具备的。EB-PVD制备的TBCs在航空航天领域得到了广泛应用并发挥了巨大作用，正常情况下，TBCs可降低金属表面温度50～80 °C，个别高温点降温可达140 °C。 以EB-PVD技术在梯度热障涂层的研究历程中起的作用为例，为了解决金属与瓷热膨胀系数不匹配造成瓷层过早剥落现象，德国和加拿大研究人员最先提出了梯度热障涂层的设想。梯度热障涂层（图3）顶层YSZ（Yttria Stabilized Zironia）瓷层，底层为NiCoCrAlY金属粘接层，在二者之间引入了Al2O3-YSZ 梯度过渡层[16, 17]。该系统中金属粘接层到瓷层为连续过渡，消除了层状结构的明显层间界面，使涂层力学性能由基体向瓷层连续过渡。B A Movchan等人[18]选用Al-Al2O3-YSZ作为梯度过渡材料，利用EB-PVD采用单源多组分蒸发技术制备梯度热障涂层。采用EB-PVD方法制备梯度热障涂层，将在YSZ瓷层形成柱状晶结构，极提高瓷层的容应变能力。当Al2O3和ZrO2共同蒸发时，将在基体上得到具有微观多孔结构的Al2O3-YSZ混合层，可以降低材料的热导率。EB-PVD制备梯度TBC的抗热震性能得到了提高，在1135 °C (24 h)风冷至50 °C的热循环试验条件下，涂层能持续1500 h。
AutoCAD根据二维图画三维图的思路和方法 用Auto CAD进行二维绘图，对具有机械制图基础的人来说，一般都比较容易掌握。但对三维建模，特别是自学者，却总觉得不知从何下手。有鉴于此，特撰本教程，以冀对初学者有所帮助。 本教程旨在介绍由三视图绘制三维实体图时，整个建模过程的步骤和方法。 一、分析三视图，确定主体建模的坐标平面 在拿到一个三视图后，首先要作的是分析零件的主体部分，或大多数形体的形状特征图是在哪个视图中。从而确定画三维图的第一步――选择画三维图的第一个坐标面。这一点很重要，初学者往往不作任何分析，一律用默认的俯视图平面作为建模的第一个绘图平面，结果将在后续建模中造成混乱。 看下面几例：图1
图1 此零件主要部分为几个轴线平行的通孔圆柱，其形状特征为圆，特征视图明显都在主视图中，因此，画三维图的第一步，必须在视图管理器中选择主视图，即在主视图下画出三视图中所画主视图的全部图线。
图2 此零件的特征图：上下底板－四边形及其中的圆孔，主体－圆筒及肋板等，都在俯视图，故应在俯视图下画出三视图中的俯视图。 图3是用三维图模画三维图，很明显，其主要结构的形状特征――圆是在俯视方向，故应首先在俯视图下作图。
图3 二、构型处理，尽量在一个方向完成基本建模操作 确定了绘图的坐标平面后，接下来就是在此平面上绘制建模的基础图形了。必须指出，建模的基础图形并不是完全照抄三视图的图形，必须作构型处理。所谓构型，就是画出各形体在该坐标平面上能反映其实际形状，可供拉伸或放样、扫掠的实形图。 如图1所示零件，三个圆柱筒，按尺寸要求画出图4中所示6个绿色圆。与三个圆筒相切支撑的肋板，则用多段线画出图4中的红色图形。其它两块肋板，用多段线画出图中的两个黄色矩形。
CAD三维建模实例操作一-----创建阀盖零件的三维模型将下面给出的阀盖零件图经修改后，进行三维模型的创建。阀盖零件图如图1所示。 ●图形分析： 阀盖零件的外形由左边前端倒角30度的正六边体，右边四个角R=12mm的底座，中间有一个倒45度角和R=4mm连接左右两边。该零件的轴向为一系列孔组成。根据该零件的构造特征，其三维模型的创建操作可采用： （1）拉伸外轮廓及六边形； （2）旋转主视图中由孔组成的封闭图形； （3）运用旋转切除生成30度和45度、R4的两个封闭图形，生成外形上的倒角；（4）运用差集运算切除中间用旋转生成的阶梯轴（由孔组成的图形旋转而成），来创建该零件中间的阶梯孔，完成三维模型的创建。 如需室内设计学习指导请加QQ技术交流群：106962568 庆祝建群三周年之际，如今超级群大量收人！热烈欢迎大家！ ●零件图如图1所示。
图1 零件图 具体的操作步骤如下： 1．除了轮廓线图层不关闭，将其他所有图层关闭，并且可删除直径为65mm的圆形。然后，结果如图2所示。 图2 保留的图形 2．修改主视图。将主视图上多余的线条修剪，如图3所示。 3．将闭合的图形生成面域。单击“绘图”工具条上的“面域”按钮，框选所有的视 图后，按回车键，命令行提示：已创建8个面域。
4．旋转左视图。单击“视图”工具条上的“主视”按钮，系统自动将图形在“主视平面”中显示。注意：此时，显示的水平线，如图4 a）所示。输入“RO”（旋转）命令，按回车键，再选择右边的水平线（即左视图）的中间点，输入旋转角度值90，按回车键，完成左视图的旋转如图4 b）所示。在轴测图中看到旋转后的图形如图4 c）所示。 图4 a）旋转前图4 b）放置后 提示：图中的红色中心线是绘制的， 用该线表明二视图的中心是在一条 水平线上。 图4 c）轴测视图 5．移动视图将两视图重合的操作如下： ①单击“视图”工具条上的“俯视”按钮，系统自动将图形转换至俯视图中，如图5所示。 图5 俯视图显示图6 标注尺寸 ②单击“标注”菜单，选择“线性”标注，标注出二图间的水平距离，如图6所示。标注尺寸的目的是便于将图形水平移动进行重合。
Thermal Barrier Coatings for Gas-TurbineEngine Applications Science 296, 280 (2002); DOI: 10.1126/science.1068609 Nitin P. Padture,1* Maurice Gell,1 Eric H. Jordan2 重点阐述热障涂层成分的选择、结构设计、制备工艺、失效机理以及发展趋势。 随着科学技术的发展，在航天航空、燃气发电等领域，热障涂层得到更广泛的应用。热障涂层可使高温燃气和工作基体金属部件之间产生很大的温降(可达170 ℃或更高) ,达到延长热机零件寿命、提高热机热效率的目。所谓热障涂层是指由金属粘结层和陶瓷表面涂层组成的涂层系统。陶瓷层是借助于中间抗高温氧化作用的合金粘结层而与基体连结的。这一中间过渡层减少了界面应力，避免陶瓷层的过早剥落。 金属粘结层主要作用增强陶瓷涂层与基体的结合力、提高热膨胀系数匹配, 提高基体的抗氧化性。目前,常用作粘结层的合金为MCrAlY, M 代表Fe、Co、Ni 或二者的结合，但由于CoO、Fe2O3 等在高温下易与ZrO2 的单斜相或立方相发生化学反应, 因此, CoCrAlY 和FeCrAlY 不宜做热障涂层的粘结底层。由于NiCoCrAlY 粘结层的抗氧化、抗热腐蚀综合性能较好，因此热障涂层大多采用这种合金体系。MCrAl Y的成分对TGO 的生长速度、成分、完整性以及与基体的结合力等因素有决定作用。 陶瓷层的作用：隔热,抗高温、热冲击性能及高温耐腐蚀性能。ZrO2 成为首选是因为具有很高的熔点、良好的高温稳定性、低的热导率以及与基体材料最为接近的热膨胀率。氧化锆是一种耐高温的氧化物，熔点是2 680 ℃，它有三种晶体类型：单斜四方立方。从四方相向单斜相转变,伴随3 %～5 %的体积膨胀,导致涂层破坏，为延长涂层的使用寿命,ZrO2 中需加入稳定剂。研究结果表明当Y2O3 含量小于6%时，在热循环过程中会发生四方相到单斜相的转变，导致涂层剥落；在Y2O3 含量为6 %～8 %时,陶瓷涂层抗热循环性能最好,寿命最长。可能适用于高温热障涂层的陶瓷材料主要有氧化锆、氧化铝、氧化钇/氧化铈稳定的氧化锆、莫来石、锆酸镧、稀土氧化物等但氧化钇/氧化铈稳定的氧化锆整体性能为最好，仍是目前广泛应用的陶瓷热障涂层。 TBC 主要有3 种结构: 双层系统、多层系统和梯度系统,。双层系统陶瓷层一般为YSZ，粘结层材料普遍采用MCrAlY 合金。制备工艺简单, 是TBC 主要采用的结构形式。多层系统是在双层结构的基础上多加了几层封阻层。封堵层可以阻止外部的V2O5、SO2 侵蚀粘结层, 降低氧的扩散速度, 能有效地防止粘结层氧化。但抗热震性能改善不大, 而且工艺复杂。梯度系统是在陶瓷层和基体金属之间采用成分、结构连续变化的一种系统。它可以减小陶瓷层与粘结底层因线膨胀系数不同而引起的内应力, 提高涂层的结合强度和抗热震性能,消除了层状结构的明显层间界面, 使力学性能和线膨胀系数连续过渡,还形成了孔隙率梯度。 从热障涂层技术的发展及应用来看,涂层的制备技术以等离子喷涂( PS)和电子束物理气相沉积( EB2PVD) 两种为主。等离子喷涂( PS)是把金属或陶瓷粉末送入高温的等离子体火焰，将喷涂材料加热到熔融或高塑性状态，在高速等离子体焰流的引导下，高速撞击工件表面最终形成的喷涂涂层，操作简便，制备成本低, 沉积率高，几乎适用于所有难熔材料的喷涂，组织为层状的等轴晶, 涂层与金属基体的结合力相对较低,低的耐应变性，涂层是多孔的, 金属结合层易氧化导
Vol .36 No .2 Apr .2007 SURFACE TECHN OLO GY 61 稀土氧化物陶瓷材料在热障涂层上的应用现状 刘保福1 ,詹肇麟1 ,翟志清 2 (1.昆明理工大学机电工程学院,云南昆明650093;2.中国石油化工股份有限公司洛阳分公司,河南洛阳471012) [摘 要] 航空发动机技术的发展,要求热障涂层用陶瓷材料应具有更低的热导率和更高的相稳定性能。由于稀土氧化物陶瓷材料在热障涂层上的广泛应用,综述了稀土氧化物涂层、镧铝氧化物及稀土氧化物(一元、二元、多元)稳定Zr O 2等热障涂层材料的研究现状。结果指出进一步的研究应集中于3个方面:1)采用合适的方法提高稀土氧化物的高温相稳定性;2)改进镧铝氧化物的热物理性能;3)采用合适的氧化物对Zr O 2基热障涂层材料进行掺杂,以进一步改善其热物理性能等。 [关键词] 氧化物;热障涂层;热物理性能;掺杂;陶瓷[中图分类号]TG174.453 [文献标识码]A [文章编号]1001-3660(2007)02-0061-04 Appli ca ti on St a tus of Rare Earth O x i des Ceram i c M a ter i a ls on Therma l Barr i er Coa ti n gs L I U B ao 2fu 1 ,ZHAN Zhao 2lin 1 ,ZHA I Zh i 2qing 2 (1.Faculty of Mechanical and Electrical Engineering,Kun m ing University of Science and Technol ogy, Kun m ing 650093,China;2.SI N OPEC Luoyang Company,Luoyang 471012,China ) [Abstract] W ith the devel opment of aer o turbine engines technol ogy,it requires that cera m ics f or ther mal barrier coatings have l ower ther mal conductivity and higher phase stability .Because of the extending use of oxides cera m ic mate 2rials on ther mal barrier coatings,the research status of oxides cera m ics materials such as rare 2earth oxides coatings,lan 2thanu m 2alum inum oxides and Zr O 2doped with oxides (one type,t w o types and multitype )were summarized .It is point 2ed that future research should ai m at the f oll owing as pectswhich include enhancing the phase stability at high te mperature of rare earth oxides by app r op riate methods,i m p r oving ther mo 2physical p r operties of lanthanu m 2alum inum oxides and do 2p ing the Zr O 22based cera m ic materials for ther mal barrier coatings with app r op riate oxides in order t o i m p r ove the ther mo 2physical p r operties . [Key words] Oxides;Ther mal barrier coatings;Ther mo 2physical p r operties;Dop ing;Cera m ic [收稿日期]2006-11-09 [作者简介]刘保福(1977-),男,河南睢县人,硕士,主要从事热喷涂技 术的研究。 0 引 言 热障涂层由于其优异的隔热性能而广泛用于保护航空发动机高温部件,至今已有20多年的历史 [1] 。选择的热障涂层陶瓷 材料应具备以下基本功能[2]:1)熔点高;2)在室温与工作温度之间的温度范围内没有相变;3)热导率低;4)化学稳定性高;5)热膨胀系数与金属基体接近;6)与金属基体具有良好的结合力;7)烧结收缩率低,其中以热膨胀系数、热导率和高温稳定性最为重要。 近年来,随着航空发动机向高推重比、高流量比、高涡轮进口温度的方向发展,发动机高温部件必须承受更高的温度,从而对热障涂层陶瓷材料提出了新的要求 [3] 。传统的YSZ 陶瓷已 很难满足发展要求,必须寻求新的陶瓷材料。稀土氧化物由于其优良的热物理性能,在热障涂层用材料中占有重要的地位。 在这种背景下,本文综述了氧化物热障陶瓷材料的应用现状,并 指出了其未来的发展方向。 1 稀土氧化物涂层 由于稀土元素一般具有较高的熔点,早在1991年就有学者研究用稀土氧化物的混合物来制备热障涂层,稀土氧化物涂层的主要相组成一般是La 2O 3、Ce O 2、Pr 2O 3和Nb 2O 5。与Zr O 2相比,稀土氧化物涂层具有较低的热扩散系数和较高的热膨胀系数,因此有潜力用作热障涂层材料,但缺乏该类材料用于热障涂层的可行性的进一步报道[2]。在1000℃以上,Ce O 2的热导率低于YSZ 的热导率,并且Ce O 2的热膨胀系数明显高于YSZ 并且接近镍基高温合金,而且Ce O 2具有比YSZ 优良的抗化学腐蚀能力,J W ilden 等研究表明,在YSZ 陶瓷涂层上喷涂一层 CeO 2可以提高整个涂层系统的耐热温度,改善长期使用过程中 的热稳定性和化学相容性[4]。J Singh 等人研究表明,Hf O 2227% Y 2O 3热障涂层的热导率只有1.1W /(m ?K ),比8YSZ 具有更低 的传导增加率和更好的抗烧结性能[5],7.5%Y 2O 32Hf O 2
第32卷第1期2011年1月 焊 接 学 报 TRANSACTI ONS OF T HE C H I N A W ELDI NG I N STI TUTI ON V o.l 32 N o .1 Januar y 2011 收稿日期:2010-03-30 基金项目:国家自然科学基金资助项目(60879018) 热障涂层的三维界面形貌与热应力关系 王志平, 韩志勇, 陈亚军, 丁昆英 (中国民航大学材料工艺技术研究所,天津 300300) 摘 要:使用等离子喷涂方法制备出双层热障涂层(粘结层为N i C r A l Y,陶瓷层为Z r O 2).使用ABAQU S 有限元分析软件,采用间接耦合分析的方法,模拟计算了喷涂过程中陶瓷层/粘结层间三维结构椭圆界面的应力场分布,得出了粘结层表面三维椭球形貌单元位置和尺寸与热应力分布之间的关系.模拟结果表明,涂层制备后,椭球形貌单元位置和尺寸对于陶瓷层和粘结层的界面应力影响较为明显,在形貌单元尺寸一定的情况下,涂层边界附近形貌单元的热应力相对较大,是涂层失效的危险单元,单元角点处为各个单元的危险点,当短半轴为20 m 时界面危险点应力 y y 达到最大值324M Pa .关键词:热障涂层;热应力;界面形貌中图分类号:TG 172.6 文献标识码:A 文章编号:0253-360X (2011)01-0021- 04 王志平 0 序 言 基于提高航空发动机的经济性和可靠性的要求,热障涂层技术已成为未来发动机热端部件高温防护涂层技术的发展方向 [1,2] .由于涂层系统线膨 胀系数和导热系数在界面上跃变较大,尤其是在化学组成和物理性能陡变的粘结层和陶瓷层的结合界面上,无论在制备过程中还是在热载荷下,涂层内部的热应力容易导致涂层发生开裂、剥离、脱落等形式的失效. 界面粗糙化可以提高界面的结合强度,粗糙表面有利于增强机械结合力.然而,粗糙化的同时,界面出现复杂形貌,出现的垂直于界面的残余拉应力, 可能会导致涂层破裂和剥离[3,4] . 喷涂过程中残余应力与界面形貌的研究与预测的试验研究相对复杂,随着计算机技术的发展,有限元分析方法在分析涂层表面形貌与残余应力关系的研究得到了较快的发展 [5,6] . 考虑到涂层制备过程中出现的复杂的三维界面形貌,文中使用ABAQUS 有限元分析软件,研究了热障涂层制备过程中分界面上典型的三维椭球微坑形貌单元的热应力,对涂层的危险位置和可能的失效方式进行了初步分析. 1 热应力计算的基本原理 当涂层的温度发生变化时,由于热变形而产生线应变 (T 1-T 0),其中 是材料的线膨胀系数,T 1 是弹性体内任一点现时的温度值,T 0是初始温度值.如果物体的热变形不受任何约束时,则物体上有变形而不引起应力.但是,物体由于约束或各部分温度变化不均匀,热变形不能自由进行时,则在物体中产生应力. 涂层应力计算的过程一般可以分成以下几个步 骤.首先根据定解方程! 2 T =?c p T / t ,以及模型的初始条件和边界条件计算出涂层冷却过程中的温度场分布,其中!为热导率;?为密度;c p 为比热容;T 为温度;t 为时间.再根据涂层温度场分布和各部分的线膨胀系数计算在特定约束条件下的变形,然后利用几何方程由变形位移计算涂层各点的应变,最后根据材料的物理方程(应力与应变的关系)由应变计算各点的应力. 2 计算模型的建立 文中的研究对象为等离子喷涂方法制备的双层热障涂层,其陶瓷层(内含质量分数8%Y 2O 3的Zr O 2)厚度为250 m ,粘结层(N i 22Cr 10A l 1Y )厚度为100 m.粘结层表面均匀分布着椭球形微坑,长半轴长度为100 m,短半轴长度的变化范围为0~50 m.
CAD 三维建模实例操作一-----创建阀盖零件的三维模型 将下面给出的阀盖零件图经修改后,进行三维模型的创建。阀盖零件图如图1所示。 ● 图形分析: 阀盖零件的外形由左边前端倒角30度的正六边体,右边四个角R=12mm 的底座,中间 有一个倒45度角与R=4mm 连接左右两边。该零件的轴向为一系列孔组成。根据该零件的构造特征,其三维模型的创建操作可采用: （1） 拉伸外轮廓及六边形; （2） 旋转主视图中由孔组成的封闭图形; （3） 运用旋转切除生成30度与45度、R4的两个封闭图形,生成外形上的倒角; （4） 运用差集运算切除中间用旋转生成的阶梯轴(由孔组成的图形旋转而成),来创建该零件中间的阶梯 孔,完成三维模型的创建。 ● 零件图如图1所示。 图1 零件图 ● 具体的操作步骤如下: 1.除了轮廓线图层不关闭,将其她所有图层关闭,并且可删除直径为65mm 的圆形。然后,结果如图2所示。 图2 保留的图形 2.修改主视图。 将主视图上多余的线条修剪,如图3所示。 该图形经旋转 切除生成外形 上的倒角。 图3 修改主视图 3.将闭合的图形生成面域。单击“绘图”工具条上的“面域” 按钮,框选所有的视图后,按回车键,命令行提示:已创建8个面域。 4.旋转左视图。 单击“视图”工具条上的“主视”按钮,系统自动将图形在“主视平面”中显示。注意:此时,显示的水平线,如图4 a)所示。输入“RO ”(旋转)命令,按回车键,再选择右边的水平线(即左视图)的中间点,输入旋转角度值 90,按回车键,完成左视图的旋转如图4 b)所示。在轴测图中瞧到旋转后的图形如图4 c)所示。 该图形放置切除后 生成阶梯孔造型。
第27卷 第2期 无 机 材 料 学 报 Vol. 27 No. 2 2012年2月 Journal of Inorganic Materials Feb., 2012 收稿日期: 2011-02-12; 收到修改稿日期: 2011-03-23 基金项目: 国家自然科学基金(51062012); 教育部重点项目(210035); 内蒙古自然科学基金(2009BS0802); 中国科学院特种 无机涂层重点实验室开放课题基金 National Natural Science Foundation of China (51062012); Key Project of Chinese Ministry of Education (210035); Natural Science Foundation of Inner Mongolia (2009BS0802); Opening Project of Key Laboratory of Inerganic Cating Materials, Chinese Academy of Sciences 作者简介: 马 文(1973?), 男, 博士, 副教授. E-mail: w.ma@https://www.doczj.com/doc/1b2616669.html, 文章编号: 1000-324X(2012)02-0209-05 DOI: 10.3724/SP.J.1077.2012.00209 Y 2O 3与Gd 2O 3共掺杂SrZrO 3热障涂层材料的热物理性能 马 文1, 宋峰雨1, 董红英2, 许 萍1, 伦文山1, 郑学斌3 (1. 内蒙古工业大学 材料科学与工程学院, 呼和浩特 010051; 2. 内蒙古工业大学 化工学院, 呼和浩特 010051; 3. 中国科学院 上海硅酸盐研究所, 特种无机涂层重点实验室, 上海 200050) 摘 要: 采用固相反应法合成了5mol% Y 2O 3与5mol% Gd 2O 3共掺杂SrZrO 3(Sr(Zr 0.9Y 0.05Gd 0.05)O 2.95, SZYG)粉末. 采用X 射线衍射(XRD)和差示扫描量热仪(DSC)分别研究了SZYG 粉末在1450℃长期热处理后以及200~1400℃范围内的相稳定性. 采用高温热膨胀仪测量了SZYG 块材的热膨胀系数, 结果表明: 通过Y 2O 3与Gd 2O 3共掺杂改性可以明显抑制SrZrO 3的相转变. 在1000℃下SZYG 块材的热导率是~1.36 W/(m·K), 与SrZrO 3和8YSZ 块材相比降低~35% SZYG 分别与8YSZ 和Al 2O 3在1250℃热处理24 h 表现出很好的化学相容性. 关 键 词: 热障涂层; 钙钛矿; 热物理性能; 稀土氧化物 中图分类号: TG174 文献标识码: A Thermophysical Properties of Y 2O 3 and Gd 2O 3 Co-doped SrZrO 3 Thermal Barrier Coating Material MA Wen 1, SONG Feng-Yu 1, DONG Hong-Ying 2, XU Ping 1, LUN Wen-Shan 1, ZHENG Xue-Bin 3 (1. School of Materials Science and Engineering, Inner Mongolia University of Technology, Huhhot 010051, China; 2. School of Chemistry Engineering, Inner Mongolia University of Technology, Huhhot 010051, China; 3. Key Laboratory of Inorganic Coating Materials, Shanghai Institute of Ceramics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200050, China) Abstract: Y 2O 3 (5mol%) and Gd 2O 3 (5mol%) co-doped SrZrO 3 (Sr(Zr 0.9Y 0.05Gd 0.05)O 2.95, SZYG) was synthesized by solid state reaction method. The phase stability of the SZYG powder synthesized at high temperature of 1450℃ for a long period and at temperature range of 200?1400℃ was characterized by XRD and DSC, respectively. The coefficients of thermal expansion (CTEs) of bulk SZYG recorded by a high-temperature dilatometer show that the phase transitions of SrZrO 3 is suppressed remarkably by co-doping Y 2O 3 and Gd 2O 3. The thermal conductivity of bulk SZYG at 1000℃ is 1.36 W/(m·K), which is 35% lower than that of bulk SrZrO 3 and 8YSZ. The good chemi-cal compatibility of SZYG with 8YSZ and Al 2O 3, is detected after heat-treatment at 1250℃ for 24 h. Key words: thermal barrier coatings; perovskite; thermophysical properties; rare earth oxides 自上世纪70年代热障涂层(Thermal barrier coatings, TBCs)首次在燃气轮机上成功应用以来, 越来越多的力量投入到热障涂层的研究中来, 主要集中在涂层成分优化和涂层结构优化两个方面[1-2].特别是在航空发动机上, 热障涂层的应用可以进一步提高发动机的进口温度, 并降低冷却气体的用量, 从而提高发动机的效率[3]. 目前使用的标准热障涂层材料是7wt%~ 8wt%Y 2O 3稳定的ZrO 2(YSZ), 通常采用大气等离子喷涂(atmospheric plasma spraying, APS)和电子束物理气相沉积(electron-beam-physical vapor deposition, EB-PVD)技术制备涂层. YSZ 涂层的最大不足之处