含抗氧化夹层热障涂层界面应力特性的研究

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 ONV o.l 32 N o .1Januar 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! 2T =∀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.22 焊 接 学 报第32卷由于基体的厚度尺寸远远大于粘结层和陶瓷层的厚度尺寸,分界面为平面时,残余应力最大值在陶瓷层和粘接层的界面上[7],故计算模型只取粘接层和陶瓷层.由于对称性,为了节省计算时间同时保证计算结果的准确性,取1/4体进行分析,取中心形貌单元法向轴线为中心对称轴,模型中水平xOz 平面内取三个周期单元.粘结层的表面椭球微坑形貌和位置分布如图1所示.按照单元分布距离中心轴线位置的远近,分别标号为1号~6号.整个涂层的网格划分如图2所示.计算过程中,采用三维八节点实体减缩积分单元(C3D8R )来计算模拟.热障涂层在制备结束高温阶段,基体和粘接层金属会发生蠕变,可以假定在冷却之前涂层处于应力自由状态.由热分析[8]知,涂层内的降温幅度和涂层的厚度成正比,同时,由于涂层厚度相对较小,可以近似认为系统在高温1000 无应力状态时为均匀的温度场,冷却时温度均匀下降直至冷却终止状态(室温25 ).在整个计算过程中涂层周围空间中的温度分布是均衡的,最终的结果与过程无关,只考虑初末两种状态.由于对称性,xOy 面和yOz 面实行对称约束.由于计算中没有考虑基体,模型中假定粘结层底部为完全固定.此外,建立有限元模型时,作了如下假设:整个涂层系统没有缺陷;陶瓷层和粘结层在界面处为完全粘结;在降温过程中,涂层系统不产生塑性变形和蠕变,所有的材料属性都是完全弹性的;每层材料内各向同性,并忽略由于温度变化引起的涂层物性参数的变化,其物性参数如表1[9,10]所示.表1 陶瓷层和结合层的热力学参数Tab le 1 The r modynam ics pa rame t e rs o f ce ram ic coa tingand bond coating参数密度∀/(kg m -3)定压比热容c p /(J kg -1 m -1)弹性模量E /GPa 线膨胀系数 /(10-6K -1)泊松比v (%)陶瓷层570056550100.1粘结层732058320015.20.33 计算结果与讨论3.1 计算结果取平行于界面方向为x ,z 方向,垂直于界面方向为y 方向.椭圆长半轴为100 m,短半轴为10 m,yOz 平面的应力云图如图3所示,单个形貌单元相对于涂层中心轴线具有轴对称性,椭圆界面纵切面曲线上均匀取17个点,令形貌单元最低处横坐标为零,各个椭圆形貌单元计算路径上各个点的 yy , zz 分别如图4,图5所示.由于垂直于界面的残余拉应力 yy 和平行于界面的压应力 zz 是导致涂层破坏的主要原因,由图4和图5可以看出,在形貌尺寸第1期王志平,等:热障涂层的三维界面形貌与热应力关系23一定的情况下,残余应力对于形貌单元本身不具有对称性,对于每个形貌单元,距离中心轴线最远位置处的拉应力 yy 最大,是涂层失效的危险点.为了分析粘结层表面椭球形貌尺寸对热应力的影响,计算了各个形貌单元危险点处 yy 大小与短半轴长度的变化关系.取椭圆长半轴为100 m,短半轴变化范围为0~50 m,危险点处的 yy 随短半轴长度变化规律如图6所示.3.2 分析讨论由图3可以看出,陶瓷层与粘结层的结合面是应力集中区,存在着应力突变,并且粘结层的等效应力大于陶瓷层的等效应力.这是由于涂层在冷却过程中,陶瓷层和粘结层线膨胀系数不匹配(表1),导致在交界处有应力集中现象,应力集中的消除是将来重点解决的问题.图4显示,在椭球微坑形貌单元尺寸一定的情况下,涂层边界附近的4号~6号单元的垂直界面拉应力 yy 较大,拉应力基本随着距离中心位置的增加而增大.除1号单元具有明显对称性外,其它各个形貌单元的热应力不是对称分布,在计算路径的17个计算点上, yy 随距离涂层中心轴线距离的变化规律基本一致, yy 开始基本为压应力,随着距离的增加,压应力变为了拉应力,6号单元的最大拉应力达到了最大值286M Pa .图5显示 zz 始终为拉应力,距离中心轴线较近1号~3号单元的分布基本为对称分布,涂层边界的4号~6号形貌单元计算路径上的 zz 基本随着距离中心位置的增加而减小,且数值较大.这主要是由于建模过程中,考虑到了实际工况,设定的粘结层底面的边界条件为完全固定,导致冷却过程中,限制了粘结层的底面收缩,导致计算结果相对较大.由图6可以看出,形貌单元的尺寸对于热应力分布的影响比较明显.在横向尺寸固定情况下(100 m ),随着椭球短半轴的增加,危险点的 yy 变化规律较为复杂,当短半轴长度达到20 m 时,6号单元的最大拉应力达到最大值324M Pa ,此时,热障涂层最易失效.4 结 论(1)对于双层热障涂层,粘结层表面的三维椭球形貌对陶瓷层/粘结层的界面热应力分布有明显的影响.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,是容易失效的危险单元.(2)对于每个形貌单元,热应力分布不对称,最大值出现在位于距离涂层中心轴线的最远处,是涂层失效的危险点.(3)椭球形貌长轴固定为100 m,短半轴为20 m 时,危险点拉应力 yy 最大,可以达到324M Pa .参考文献:[1]Pirge G ,K oc I ,Basaran A .On the app licati on poss i b ilit y of t her m al barrier coati ngs in s pace p racti ces[C ]!Proceed i ngs of t he 3rd InternalConference on,Recen tAdvan ces i n SpaceT ech nol ogies ,2007,152-157.[2] Xu Y i ngq iang ,L i Sh iji e ,J i n Shaoji e .S i m u lati on of i n terfacials tress i n TBC s w it h ox i dati on res i stance i n t erl ayer under t her m al l oad i ng[C ]!2009S econd In ternati onal Con ference on In f or m a ti on and Co m puti ng Science ,2009,296-299.[3] 张红松,王富耻,马 壮.等离子喷涂Z r O 2热障涂层的热冲击性能[J].机械工程材料,2007,31(1):86-89.Zh angH ongsong ,W ang Fuch,i M a Zhuang .Ther m al s hock re s ist an ce of p l as m a sprayed ZrO 2ther mal barrier coati ngs [J ].M ateri als f orM echan i calEng i neeri ng ,2007,31(1):86-89.[4] Karlss on A M,H u t ch i n s on J W,Evans A G .A f unda m en talm odel of cycli c i n st ab ilities i n t her m al barrier syste m s [J].J our nal of t h eM ech an i cs and Physics of So li ds ,2002,50,1565-1589.[5] 姚国凤,马红梅,王晓英.热障涂层界面形貌尺寸与残余应力的关系[J].金属热处理,2005,30(10),43-46.24焊 接 学 报第32卷Y ao Guofeng,M a H ong m e,i W ang X i aoyi ng.R el ation b et w eeni n terface topography d i m en si on and residu al stress i n t h er m al barri er Coati ngs[J].H eatT reat m ent ofM et als,2005,30(10),43 -46.[6] 丁艳霞.热障涂层中界面形貌对涂层系统中应力影响的研究[D].吉林:吉林大学,2007.[7] 徐颖强,汪震隆,李剑锋.含抗氧化夹层热障涂层界面应力特性的研究[J].机械强度,2009,31(4):685-688.Xu Y i ngqiang,W ang Zhen l ong,L i Jian f eng.Investi gati on of i n terfacal stress in the t er m al barrier coati ngs w it h ox i dation resist an ce i n terl ayer[J].Journ al ofM echan i cal Strengt h,2009,31(4):685-688.[8] 王桂兰,胡帮友,严 波.三维等离子喷涂的涂层生长过程温度场数值模拟[J].固体力学学报,2005,26(2),151-156.W ang Gu ilan,H u Bangyou,Yan Bo.Num eri cal s i m u lati on ofte m perat u re fi eld i n f or m i ng p rocess of3D p l as m a s p ray coating[J].A ctaM echan i ca S oli da S i n ica,2005,26(2):151-156.[9] J i nnestrand M,S j ostro m S.Investi gati on by3D FE si m u l ati ons ofdes a li nation crac k i n iti ati on i n TBC caused by al um i n a gro w th[J].Su rf ace and Coati ngs Techno l ogy,2001,B5(2-3),188-195.[10] S far K,Ak t aa J,M un z D.Num eri cal i nvesti gati on s of residu als tress fi elds and crack behav i or i n TBC syste m s[J].M aterial sScience and Engi n eeri ng,2002,333:351-360.作者简介:王志平,男,1963年出生,博士,教授,硕士生导师.主要研究方向为热喷涂和焊接技术.发表论文20余篇.Em ai:l zpwang @cau MA I N TOPI CS,ABSTRACTS&KEY WORDS2011,Vo.l32,N o.1anyong1,2,W ANG Q i ng3,DA I Zhen3(1.School ofM ater i a l Sc i ence and Eng i neering,T ianji n U n i versity,T ian jin300072,Ch i na;2.T i anji n K ey L aboratory of A dvanced Jo i ning T echno l ogy, T ian jin300072,China;3.H ebei E lectr i c P o w er R esearch Insti t u te,Sh iji azhuang050021,Ch i na).p16-20Abstrac t: Type IV crack i ng is consi dered to be t he li ke l y fa il ure mode o f P92steel w e l ds w hen opera ted at h i gh te m pe ra t u re f o r l ong duration.T ype I V fa il ure o ften takes p lace at the i n tercritical hea t affected zone(I CHAZ)o r fi ne g ra i ned hea t af fected zone(FGHA Z).H o w ever,the m echan is m of t ype I V cracki ng has no t yet been understood unequ i voca lly.In o rder to investi gate type I V fa il u re sc ientifica lly,te m perature fi e l d,we l d i ng residual stress and creep stra i n for w elded j o i n t o f P92stee l are si m ulated by A B AQU S code.Experi m enta l result obta i ned fro m X ray diffracti on techn i que i s conducted to ve rify the si m u lati on.T he research results show t hat the locati ons of IC HA Z and FGHA Z a re de m onstrated accord i ng to the si m u l a ti on o f te m pe ra t u re fi e l d.M ax i m a l resi dua l stress concentrates i n the I CHA Z and FGHA Z.A nd ax ia l creep stra i n is i n good agree m ent w ith res i dua l stress.So concen trati on o f residual stress that resu lts in accu mu lati on of c reep stra i n and type I V cracking is regarded as rem arkab l e factor.K ey words: P92stee;l type IV c racki ng;te mperature fi e l d;w e l d i ng resi dua l stress;fi n ite ele m ent si m ulationR elations between3d i m en si on i n terface topography w ith thermal stress of th er ma l barr ier coatings WANG Zhi p i ng,HAN Zh i yong,C H E N Y a j un,D ING K uny i ng(Instit ute of M a teria lT echnology,C i v il A v i a tion U niversity of Chi na,T ian jin 300300,Ch i na).p21-24Abstrac t: Doub l e l ayer the r m al barrier coatings(bond coa ting is N i Cr A l Y and cera m ic coati ng i s ZrO2)w as prepared by at mosphe ric plas m a sprayed m ethod.U s i ng ABAQU S so ft w are,t he ther m a l stress d istri buti on o f3di m ens i on e lli pse i nte r face topog raphy be t w een bond coati ng and cera m ic coa ti ng w as nu m ericall y s i m u l a ted by ind i rect coupli ng m et hod.Re lati ons be t ween therma l stress w ith l oca tion and s i ze of e lli pse topography unit w ere obtained.The calculati ng resu lts sho w that the stress is affected by l o ca ti on and s i ze obviously and stress o f boundary to pog raphy un it i s bi gg er than tha t o f center un it when the s i ze of unit is i nvar i able.The boundary topography un its are danger unit and corne r po i nts are dange r po i nts.T he stress o f danger po i nt reaches324M P a when short half axes i s20.K ey word s: the r m al barrier co ati ng s;the r m al stress;i n terface topog raphyM aster sl ave coord inated motion con tro lling of doub le sided arc we l d ing robots Z HANG H ua j un1,3,ZHANG G uang j un2,CA I Chunbo1,X I AO Jun2,GAO H ongm ing2(1. Schoo l of M ate rials Sc i ence and Eng i nee ri ng,H arb i n U n i ve rsity o f Sc ience and T echno logy,H arb i n150040,Chi na;2.S tate K ey Labo ra tory o f A dvancedW e l d i ng P roducti on T echno l ogy,H a rbin Insti tute of T echno l ogy,H a rbin150001,Ch i na;3.Schoo l of M a teria l Sc i ence and T echnology,Shangha i Jiao tong U n i versity, Shangha i200240,Ch i na).p25-28Abstrac t: A flex i b le manu f ac t ur i ng syste m o f non root ch i pp i ng doub l e s i ded arc w e l d i ng robots is studied i n order to rea li ze robot autom ati c we l d i ng for thick plate of lo w a ll oy h i gh tens ile stee.l M aster sl ave coord i nated m ethod i s adopted.M oto m an robo t i s m aster and KUKA robot i s slave.A cco rding to the endi ng positi on attitude of we l d i ng torch of master hand,refe r ence path plane o f p l a te is l ook on as symm etric p l ane.M o ti on path of slav e hand is deduced by k i nem ati cs coordi na te conve r si on.A nd M aster slave coo rd i na ted mo ti on of double si ded arc w e l ding robo ts is reached and i s ve rifi ed by coo rd i nated mo ti on experi m ent.K ey word s: double sided a rc we l d i ng;doub l e robo ts; m aster sl ave contro;l coo rd i na ted mo ti onCo mp rehensive eval uation on effec t of w eld s h ape on m e chan ical p erfor m ances by analytic h ierarchy process L I U X i n1,2,LEI Y ongpi ng1,GONG Shu ili(1.Be iji ng U nivers it y of T echno l ogy,Be iji ng100010,Chi na;2.Sc ience and T echno logy on P o w er Bea m Processes L aboratory,Be iji ng A eronauticalM an ufactur i ng T echno l ogy R esearch Institure,Be iji ng100024,Ch i na).p29-32Abstract: F our d ifferent w e l d shapes a re obta i ned by proper e l ec tron beam w e l ding para m eters,wh i ch are respecti v ely na m ed as bell shape,f unnel shape,na il shape and wedg e shape.M echan i ca l pe rf o r m ance o f the e l ectron beam we lded jo i nts w ith d iffe rent shapes w ere carried.T he i n fluence o f w eld shape on mechan i ca l pe rf o r m ance o f the j o i nts w as synt heticall y eva l uated by ana lytic h i e rarchy m athe m atica l mode.l The resu lts show that w e l d shape e ffects tensile property,f a ti gue property and m icrohardness o f the j o i n t.T he sequenc i ng o f mechan i ca l perfor m ance of t he jo i nts w ith four d iffe rent shapes by analytic h i e rarchy pro cess is he ll shape,funne l shape,w edge shape,and na il shape.It i s va li da ted by exper i m enta l resu lts that the analyt ic hierarchy m athe m atica lm odel is effecti ve and prac ti ca.l K ey word s: w eld shape;e lectron bea m we l d i ng;m e chan ica l perfo r mance;ana lytic h i e rarchy pro cessE ffec ts of w eld i ng para m eters on w eld geo m e try of pu lsed Nd:YAG laser/T I G hybr i d w eld i ng p rocess of304stai n less steel ZHANG L i nji e1,Z HANG Jianxun1,CAO W e iji e1, C HA I G uom i ng2,GONG Shuili2(1.State K ey Laboratory o fM e chan ica l Behav i o r forM a teria l s,X i∀an Jiao tong U n i ve rs i ty,X ia'n 710049,Ch i na;2.N a ti ona l key L aboratory for H igh Energy Density Beam P rocess i ng T echnology,Be iji ng A eronauticalM an ufactur i ng T echno l ogy R esearch Institute,Beiji ng100024,Ch i na).p33-36Abstract: E ffects o f w e l d i ng param eters on the w e l d ge om etry are i nvesti gated for pulsed N d:YAG laser/T I G hybrid w e l ding o f304sta i n l ess stee l plate.T he results s how t hat cross secti ona l a rea of hyb ri d we ld is large r than the su m of c ross sec ti onal area of si ng le laser w eld and tha t o f si ng le T I G we l d, w hich m eans syne rgetic effec t occurs dur i ng hybr i d w e l d i ng process;we l d w idt h,w e l d depth,w e l d cross secti onal area and heat transfer effic i ency i ncrease w ith t he i ncrease of l aser po w er; w hen de f o cusi ng distance i ncrease fro m 3mm t o5mm,w eld w i dth,w eld depth,w eld cross secti ona l area and heat transfer effic i ency wou l d i ncrease and reach the m ax i m u m w hen de f o cus#。

热障涂层材料的制备与性能研究随着现代工业的不断发展，高温工况下材料的热稳定性成为了一个重要的研究方向。

热障涂层材料由于其良好的绝缘性和高温稳定性，成为了一种非常有前景的防护材料。

本文将就热障涂层材料的制备方法和性能研究展开讨论。

一、热障涂层材料的制备热障涂层材料的制备方法多种多样，常见的有物理气相沉积法和化学气相沉积法。

1. 物理气相沉积法物理气相沉积法是一种通过高温下蒸发材料并将其沉积到基材表面的方法。

它可以得到具有较高结晶度和粒界结构的热障涂层材料。

在这种方法中，常用的气相源材料有氧化铝和氧化锆等。

通过将气相源材料加热蒸发，并通过气流将其输送至基材表面，可以实现热障涂层材料的沉积。

2. 化学气相沉积法化学气相沉积法是一种将气体中的化学原料转化为沉积物的方法。

该方法可以控制沉积层的成分和结构，从而实现所需的性能。

在这种方法中，常用的气相源材料有氯化铝和氧化铝等。

通过将气体中的化学原料引入反应室，使其在高温下发生化学反应，并在基材表面形成所需的热障涂层材料。

二、热障涂层材料的性能研究热障涂层材料的性能研究主要包括热稳定性、热导率和界面附着力等方面。

1. 热稳定性热稳定性是评价热障涂层材料性能的重要指标。

在高温工况下，热障涂层材料需要能够有效阻挡热量传递，并保护基材不受热应力的影响。

研究人员通过热循环试验和热冲击试验等方法来评估热障涂层材料的热稳定性能。

2. 热导率热导率是指材料传导热量的能力，对于热障涂层材料来说，较低的热导率可以降低热量传递，提高防护效果。

研究人员通过热导率测试仪来测定热障涂层材料的热导率，以评估其防护性能。

3. 界面附着力界面附着力是指热障涂层材料与基材之间的结合强度。

良好的界面附着力可以确保涂层在高温工况下不易剥落。

研究人员通过剪切试验和界面剥离试验等方法来评估热障涂层材料的界面附着力。

结语热障涂层材料的制备和性能研究对于提高材料的热稳定性具有重要意义。

通过物理气相沉积法和化学气相沉积法可以制备具有不同性能的热障涂层材料。

热障涂层的研究现状与发展方向热障涂层（Thermal Barrier Coatings，TBCs）是一种应用于高温环境下的保护材料，可有效隔热、降低热应力，提高材料的使用寿命和性能。

随着高温领域的不断发展和应用需求的增加，热障涂层的研究也取得了很大的进展。

本文将介绍热障涂层的研究现状和未来的发展方向。

研究现状：1.材料选择：目前，热障涂层常用的材料是陶瓷氧化物，如氧化锆（ZrO2）。

这是因为氧化锆具有良好的高温稳定性和热隔离性能。

同时，为了增加涂层的韧性，常常将氧化锆与其他材料进行复合，如氧化钇（Y2O3）、氧化钆（Gd2O3）等。

2.涂层制备技术：常用的涂层制备技术有等离子喷涂、磁控溅射、物理气相沉积等。

这些技术可以形成致密、均匀的涂层，并能够提供所需的性能。

3.高温性能：研究人员通过改变合金元素的含量和添加合金元素，来改善热障涂层的高温性能。

例如，钛合金元素的添加可以提高热障涂层的抗氧化和抗热腐蚀性能。

4.应用领域：热障涂层广泛应用于航空、能源、汽车等领域。

例如，用于航空发动机的热障涂层可以提高发动机的工作温度，提高燃烧效率，降低燃料消耗。

发展方向：1.纳米材料研究：纳米材料具有较高的比表面积和界面效应，可以提高热障涂层的热导率和热膨胀系数匹配性。

因此，研究者们正在探索利用纳米材料制备热障涂层，并研究其热性能。

2.多层涂层研究：多层热障涂层可以提供更好的隔热性能和更高的耐热性。

目前，研究人员正在研究不同层次和组分的多层涂层结构，以提高涂层的性能。

3.高温腐蚀性能研究：热障涂层在高温腐蚀环境中容易受损。

因此，研究者们正在研究改善热障涂层的高温腐蚀性能，以提高其使用寿命。

4.综合性能优化：除了热性能，热障涂层的机械性能、热膨胀系数匹配性、附着强度等都是重要的指标。

因此，未来的研究将更加注重综合性能的优化，以提高热障涂层的整体性能和可靠性。

总结：热障涂层作为一种重要的保护材料，在高温环境下担负着隔热和降低热应力的任务。

热障涂层研究现状的综述2、鑫芯（杭州）智能科技有限公司浙江杭州摘要：介绍了热障涂层的材料体系及其结构特征，综述了热障涂层的制备技术、失效机理和无损检测技术等方面的研究现状，并指出热障涂层研究领域中的几个重要的研究热点及发展方向。

关键词:热障涂层；制备技术；失效机理；无损检测；研究现状0引言随着科学技术的进步，航空、航天、燃气发电、化工和冶金等众多领域促进了热障涂层的研究与发展。

热障涂层因其良好的耐高温性、较低的热导率、与基底匹配的热膨胀性能，能显著提高航空发动机的效率和推重比。

具备保护关键热端部件能力而获得广泛运用, 成为现代航空设备（燃烧室、进气道、尾喷管等）不可取代的隔热材料。

在航空、航天领域,随着高超音速飞行器的出现及发展,其高温部件表面温度已经远远超过1200℃,需求接近2300℃,因此,具有低导热系数、高热膨胀系数、高温相稳定性、低烧结率和耐高温腐蚀性能的新型陶瓷涂层成为研究的重点和热点。

美国几乎所有的军用和商用航空发动机都采用了TBCs。

近年来，欧美等国家相继制定和实施了“IHPTET”、“VAATE”、“UEET”、“ACME-II”、“AMET”等高性能航空发动机计划，均把发展新型高性能热障涂层技术列为这些计划的主要战略研究目标之一。

新型低热导、耐烧结以及高温稳定的陶瓷材料的研制是近年来热障涂层陶瓷隔热层材料的主要研究方向。

1热障涂层的材料体系典型的热障涂层体系通常包含三层复合涂层：高温合金基体之上的粘结层、热生长氧化物层和陶瓷隔热层[1]。

热障涂层系统要求有良好的隔热效果，又有抗高温氧化及热冲击性能。

针对在腐蚀介质中的特殊要求，还要具有高温耐蚀性能。

因此，新型低热导、耐烧结以及高温稳定的陶瓷材料的研制是近年来热障涂层陶瓷隔热层材料的主要研究方向。

YSZ因其较低的热导率和较高的热膨胀系数成为当前应用最为广泛的热障涂层材料。

YSZ 材料发展至今，已经通过理论计算和实验合成等对其材料性能进行了较为全面的研究。

热障涂层材料的研究与发展４１０厂张焰段绪海王世林杨秋生摘要热障涂层材料的研究与发展，始终受到人们极大的关注。

这不仅因为采用热障涂层结构，可以使航空发动机的气冷高温金属部件的温度降低５０－－－－２００℃，显著改善高温部件的耐久性，为航空工业的发展带来极大的便利，同时，这一研究在民用领域也存在着巨大的潜力。

目前，关于新型涂层材料及其制各工艺的研究工作还在进行。

本文针对热障涂层材料的研究与发展作了一些探讨。

关键词：热障涂层：ＺｒＯ：粉末；喷涂材料～、前言热障涂层的研究开始于５０年代初期，目的是为燃气轮机叶片及火箭发动机提供耐热、抗腐的防护。

６０年代开始应用于航空燃气轮机，但直到７０年代才获得突破性进展，试制成功了在高热通量条件下具有显著隔热作用的热障涂层（ＴＢＣ）。

热障涂层的典型结构是双层ＴＢＣ系统。

在金属基材与表面陶瓷涂层之间喷涂一层结合层。

因为陶瓷涂层与金属基材之间的结合性能较差，采用这种结构后，获得了非常满意的效果。

目前热障涂层主要应用于航空及工业燃气轮机燃烧室及加力燃烧室，并局部应用于燃气轮机的涡轮部分，并可望进一步应用于轮船柴油机、汽车发动机等方面。

热障涂层材料的研究与发展，始终受到人们极大的关注。

近年来，随着航空工业的飞速发展，对航空设备的性能要求越来越高。

现代航空涡轮发动机的发展趋势是大推力、高效率、低油耗和长寿命。

为了达到这些目标，主要措施是提高涡轮进口温度，减少发动机结构尺寸和重量。

航空发动机出现后近４０年间，涡轮进口温度平均每年约提高１５℃，而高温合金最高工作温度仅以平均每年１０＂（２左右的速度递增，目前已达到１０５０℃，相当于其熔点的７５％，进～步提高工作温度的潜力已十分有限。

为了满足涡轮进口温度不断提高的要求，在致力于进一步发展新型合金和冷却技术的同时，国际上正在积极发展高温热障涂层技术。

实验表明，应用这种技术可以允许提高燃烧室温度５０－２００。

Ｃ，如果在涡轮叶片上等离子喷涂二氧化锆涂层，则可以提高涡轮进口温度约８０。

热障涂层中热生长氧化层应力及变形研究进展陈勇【期刊名称】《航空材料学报》【年(卷),期】2013(033)006【摘要】从影响热生长氧化层(TGO)变形的因素、计算模型和计算方法方面综述国内外学者近年来在热生长氧化层变形和应力方面的研究成果.详细评述热膨胀失配、蠕变、TGO生长、黏结层相变和界面形貌等因素对TGO变形和应力的影响,并介绍目前研究TGO变形和应力的主要方法和计算模型.提出:基于内聚力模型(CZM)的扩展有限元方法(X-FEM)、(扩展)Voronoi有限元模型可以解决基于传统有限元方法和断裂力学方法在研究TGO裂纹扩展问题、获取TGO临界断裂参数等方面存在的困难,是一种有前途的研究TGO变形、应力及裂纹问题的方法.【总页数】10页(P86-95)【作者】陈勇【作者单位】上海交通大学,上海200240【正文语种】中文【中图分类】V223;V215.5【相关文献】1.氧化层增厚对涡轮导叶热障涂层残余应力的影响 [J], 刘建华;刘永葆;刘莉;贺星2.纳米氧化铝作为第三层对热障涂层中热生长氧化物层的改善 [J], Mohammadreza DAROONPARVAR;Muhamad Azizi Mat YAJID;NoordinMohd YUSOF;Saeed FARAHANY;Mohammad Sakhawat HUSSAIN;Hamid Reza BAKHSHESHI-RAD;Z.VALEFI;Ahmad ABDOLAHI3.Fecralloy基体热障涂层TGO热生长应力的理论计算和数值模拟 [J], 易统;丁军;宋鹍;黄霞4.热障涂层氧化层厚度对残余应力的影响 [J], 陈宇慧;岳利文;张永海;戚俊清5.纳米氧化铝作为第三层对热障涂层中热生长氧化物层的改善（英文） [J], Mohammadreza DAROONPARVAR;Muhamad Azizi Mat YAJID;Noordin Mohd YUSOF;Saeed FAR AHANY;Mohammad Sakhawat HUSSAIN;Hamid Reza BAKHSHESHIRAD;Z.VALEFI;Ahmad ABDOLAHI;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

第34卷第4期 齐 齐 哈 尔 大 学 学 报（自然科学版）Vol.34,No.4 2018年7月Journal of Qiqihar University(Natural Science Edition)July,2018基于有限元法的热障涂层系统应力分析林旭（青海民族大学 交通学院，西宁 810007）摘要：采用有限元方法建立热障涂层模型，研究热障涂层系统在温度载荷作用下的应力场及其温度场分布，考虑陶瓷层厚度和氧化层厚度变化对热障涂层系统热应力的影响。

研究结果表明，热障涂层系统最大应力出现在氧化层/陶瓷层界面，热障涂层系统内氧化层/陶瓷层界面等效残余应力随着氧化层厚度增加而增加。

随着陶瓷层厚度增加，热障涂层系统隔热效果明显，对热障涂层设计有指导意义。

关键词：热障涂层；有限元；应力场中图分类号：TG174.442 文献标志码：A 文章编号：1007-984X(2018)04-0033-04热障涂层是基体的防护材料，具有良好的隔热、耐高温和抗腐蚀性，成为目前最先进的高温防护涂层之一， 被广泛地应用于内燃机及航空发动机气缸内壁，从而使部件能够承受更高的工作温度，有利于提高热机效率[1,2]。

自20世纪50年代以来，热障涂层发展迅速，对其性能要求越来越高。

热障涂层系统结构复杂，由基体、粘结层和陶瓷层组成，当其在高温环境下工作时，粘结层和陶瓷层界面处会形成一层几微米厚的 Al 2O 3氧化层，由于热障涂层工作过程中不可避免地会生成氧化层，因此热障涂层系统模型由基体、粘接层、氧化层、陶瓷层四部分组成。

涂层结构层状堆叠，涉及多种材料，各层间的热膨胀系数等物理参数不同，加之热障涂层工作在高温、高压和强腐蚀环境下，在各层界面上会产生极大地热应力，随着氧化层厚度不断增加，还会引起涂层系统内应力的重新分布[3]，导致热障涂层失效，因此，涂层应力大小及其分布是影响热障涂层寿命的关键因素。

目前很多研究人员采用不同的方法研究热障涂层的失效机理，而引起涂层失效的重要原因是随着氧化层的厚度增加，引起涂层界面开裂，研究热障涂层系统中随着氧化层厚度增加，以及陶瓷层厚度对涂层系统应力分布对于有效预测涂层系统失效破坏具有重要意义。

热障涂层论文：热障涂层残余应力圆柱体结构热力屈曲【中文摘要】热障涂层(Thermal barrier coatings,简称TBCs)材料可有效保护热端部件,使其免受高温氧化、腐蚀、磨损,已应用于航空航天、大型火力发电等领域。

然而,由于受材料参数不匹配、高温蠕变、弹塑性变形等因素的影响,在高温热循环使用中系统内部会产生较大的残余应力并不断累积增大。

反复交替变化的残余应力通常导致涂层和基底发生分层、屈曲和剥落。

屈曲破坏已成为热障涂层的主要失效模式之一。

因此,本文首先估算了在制备和热循环使用过程中圆柱体结构热障涂层系统应力场的演变,为研究曲面结构热障涂层热力屈曲破坏提供应力分析基础;其次通过理论和实验相结合的方法,研究了在常温和高温环境下热障涂层界面压缩破坏的特性,重点讨论了热力屈曲破坏特征及破坏机理。

本论文的主要研究内容如下:第一,分别假设陶瓷层位于基底的凸面和凹面两种情况,计算了在制备阶段圆柱体结构热障涂层的三维初始应力场分布,并重点分析了沉积温度、基底曲率和陶瓷层厚度三个因素对残余应力的影响。

结果表明:当陶瓷层位于基底凸面时,各层径向应力为拉应力;当陶瓷层位于基底凹面时,各层径向应力为压应力。

但陶瓷层位置对环向和轴向应力影响不大。

随着沉积温度的增加,涂层体系三个方向的应力都明显增大,其中氧化层内的应力变化最为明显。

随着基底曲率半径的增大,各层环向应力和轴向应力的影响明显强于相应的径向应力。

第二,在综合考虑陶瓷层蠕变、粘结层和氧化层塑性变形、材料参数随温度变化的条件下,计算了在热循环过程中圆柱体结构热障涂层三维应力场分布,着重分析了在加热、保温和冷却阶段陶瓷层和氧化层内应力的演变。

同时还讨论了热循环次数、热循环温度、基底曲率半径对陶瓷层和氧化层内应力场的影响。

结果表明:随着热循环次数增加,陶瓷层的应力均呈指数型增大趋势,而氧化层内的轴向和环向应力出现减小趋势,但氧化层内的应力明显高于其它三层,是导致涂层破坏的主要原因之一。

高温合金热障涂层的氧化和失效研究
随着高温工程技术的不断发展，高温合金热障涂层的氧化和失效问题越来越受到关注。

本文通过文献综述和实验研究，系统地分析了高温合金热障涂层的氧化过程和失效机理。

其中，氧化主要是由于高温下涂层中的氧化物与基材氧化反应而形成的，同时涂层中的微裂纹和界面反应也会加速氧化的发生。

失效主要是由于热应力和热疲劳引起的涂层剥落和龟裂，同时也会受到金属间化合物的形成和化学反应的影响。

针对这些问题，本文介绍了目前常用的高温合金热障涂层的改进措施，如采用新型涂覆材料、优化涂层结构和加强表面处理等方法，以提高涂层的抗氧化和抗失效能力。

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