热障涂层脱落和缺陷对气膜冷却的影响分析毕业论文

航空发动机热障涂层存在的问题及其发展方向一、热障涂层应用现状要想使航空发动机获得更大的推重比，就必须提高发动机涡轮前的进口温度，因此对航空发动机燃烧室、涡轮叶片等热端部件的抗高温能力的要求相应提高。

在基体合金表面涂覆热障涂层（Thermal Barrier Coating，TBC）是有效提升其抗高温能力的途径之一。

目前在涡轮发动机上获得实际应用的热障涂层均为双层结构：表层为陶瓷层，主要起隔热作用，此外还起抗腐蚀、冲刷和侵蚀的作用；内层为金属粘接层，主要起改善金属基体与陶瓷层之间的物理相容性，增强涂层抗高温氧化性能的作用。

航空发动机热障涂层迄今为止，应用最广、最成熟的热障涂层是以氧化钇（质量分数6% ～8% ）部分稳定氧化锆（ YSZ）陶瓷层为面层，MCrAlY合金层为粘接层的双层结构热障涂层体系。

YSZ具有低的热导率和相对较高的热膨胀系数，但是它在使用过程中存在如下问题：（1）当工作温度高于 1200 ℃时，随着烧结时间延长，YSZ 的孔隙率和微观裂纹数量逐步减少，从而导热系数上升，隔热效果下降。

（2）高温环境中，热障涂层的面层和粘接层之间会生成以含铝氧化物为主的热生长氧化物（TGO），同时金属粘接层会产生“贫铝带”，随着热循环次数的增加，贫铝带扩大，富 Ni、Co的尖晶石类氧化物在TGO 中形成，从而使TGO 内部产生较大的应力，最终诱发裂纹并导致陶瓷面层脱落。

（3）空气环境中或飞机跑道上的颗粒物进入燃烧室后，在高温作用下形成一种玻璃态沉积物CMAS（CaO，MgO，Al2O3，SiO2等硅酸铝盐物质的简称）。

CMAS 附着在发动机叶片上，在毛细管力的作用下沿着YSZ 涂层孔隙向深度方向渗透，随后CMAS与YSZ涂层中的Y2O3发生反应，加速YSZ相变，最终在热化学与热机械的相互作用下，导致YSZ 涂层内部产生裂纹。

（4）YSZ 陶瓷面层、金属粘接层、TGO 的热膨胀系数存在的差异会引起致YSZ陶瓷面层/TGO界面、TGO/金属粘接层界面上在从工作温度（上千摄氏度）降到室温的过程中产生应变失配，从而形成热失配应力，最终会导致YSZ 面层脱落。

冷却孔附近热障涂层的应力及失效分析摘要气膜冷却和热障涂层的联合使用是对燃气轮机叶片及燃烧室等热端部件进行热防护的有效措施。

冷却孔附近由于主流燃气和冷却气体的混合，形成复杂的温度场和较大温度梯度，进而产生因热障涂层系统各层间热失配造成的热应力，导致涂层剥落失效。

此外，冷却孔的边缘产生应力集中，更易造成热障涂层的过早开裂。

本文建立了三维有限元模型，对热障涂层+基体系统进行热力计算，并且采用了内聚力模型，对陶瓷层和粘结层界面进行失效分析。

关键词热障涂层；冷却孔；气膜冷却；失效。

0前言随着燃气轮机进口温度和压力的不断提高，涡轮叶片及燃烧室等热端部件材料所需承受的温度和温度梯度不断增加。

因此，在不断发展新型高温材料以适应更高工作温度的同时，还需采用相应的冷却和隔热措施来对热端部件进行热防护[1]。

气膜冷却和热障涂层的联合使用能够有效避免热端部件直接暴露在高温燃气中，保证材料高温性能，提高使用寿命[1]。

气膜冷却是冷却气体从热端部件表面冷却孔喷出并在壁面形成气膜，使壁面与高温燃气隔离，进而保护热端部件的措施。

气膜冷却的示意图如图1所示[2,3]。

气膜冷却大大减少了燃气与壁面的换热，并带走壁面上一部分高温燃气的辐射热量，达到隔热和冷却的双重效果。

热障涂层（thermal barrier coatings, TBCs）是涂覆在基体表面起隔热作用的陶瓷涂层。

热障涂层具有较低的热导率，在涂层上下两面会产生较大的温差，可以有效降低基体温度。

热障涂层一般具有三层结构，即陶瓷层（top coat）、粘结层（bondcoat）和中间的高温热循环条件下产生的热生长氧化层（thermally grown oxide, TGO）[4]。

图1 气膜冷却示意图热障涂层在高温热循环下易出现过早剥落失效，这严重限制了热障涂层的应用[4]。

界面开裂和陶瓷层内部纵向开裂是热障涂层失效的两种主要形式。

陶瓷层与热氧化层、粘结层与热氧化层之间的界面开裂受各层之间的热膨胀失配、热氧化层生长应力、粘结层相变、界面粗糙度等因素的综合影响[5]。

热障涂层的研究进展随着现代工业的发展，高温材料的应用越来越广泛，如航空发动机、燃气涡轮等。

然而，高温环境下的材料容易发生氧化、腐蚀等问题，降低了材料的使用寿命和可靠性。

为了解决这一问题，人们引入了热障涂层技术，使其在高温工作环境中具有更优异的性能。

热障涂层是一种在金属表面涂覆陶瓷材料的技术，通过降低热通量的方式实现保护材料的目的。

它的特性包括良好的隔热性、抗氧化性、抗腐蚀性、抗磨损性等，使其广泛应用于航空航天、石油、化工、冶金等行业。

近年来，研究人员对热障涂层的性能进行了深入的研究和探讨，取得了不俗的成果。

热障涂层材料的研究热障涂层材料的性能主要取决于表面涂层的结构和材料的选择。

目前，常见的热障涂层材料包括氧化铝、氧化锆、氧化镁、二氧化硅等，其中以氧化铝涂层应用最为广泛。

研究人员通过对涂层材料的组织结构、化学成分等方面的研究，不断优化和提升热障涂层的性能。

例如，一些研究人员通过改变涂层中氧化铝和氧化锆的组成比例，制备了一种新型热障涂层材料。

实验结果表明，该涂层具有更好的耐热性能和耐磨性能，可以有效地提升高温材料的使用寿命。

另外，一些研究人员通过改变热障涂层中陶瓷颗粒的尺寸、形状等参数，探讨了不同参数对涂层性能的影响。

研究结果发现，涂层颗粒尺寸越大，涂层的热阻值越大；而颗粒形状则会对涂层磨损、断裂等性能产生影响。

热障涂层加工技术的研究由于热障涂层是一种高技术含量的涂层技术，其加工过程也十分关键。

研究人员对热障涂层加工技术进行了系统研究，探讨不同加工方法对涂层性能的影响，并提出了相应的改进方案。

例如，一些研究人员对热障涂层的喷涂工艺进行了优化，采用了高速火焰喷涂技术，实现了高效、节能的喷涂过程，同时提高了涂层质量和性能。

另外，研究人员还在热障涂层加工过程中引入了纳米材料，提高了涂层的性能和稳定性。

纳米材料具有较高的比表面积和活性，可以增加涂层的强度、硬度和耐磨性。

热障涂层应用领域的研究热障涂层技术的应用领域越来越广泛，涉及到航空、航天、汽车、船舶、石油、化工、冶金等多个领域。

热喷涂过程中热障涂层残余应力分析热喷涂过程中热障涂层残余应力分析热喷涂是一种常用的表面涂层技术，可以提供材料的保护性能和功能增强。

然而，热喷涂过程中会产生残余应力，这可能导致涂层的破裂、剥离或变形，从而影响涂层的性能和寿命。

因此，对热喷涂过程中的残余应力进行分析和控制非常重要。

首先，热喷涂过程中的残余应力主要来源于两个方面：热应力和冷却收缩应力。

热喷涂技术通常需要在高温下进行，涂层材料在熔化和喷涂后迅速冷却，这导致涂层表面和内部产生温度梯度和热应力。

同时，冷却过程中，涂层材料由于收缩而产生冷却收缩应力。

这两种应力的叠加可能导致涂层产生各种应力状况。

其次，为了分析热喷涂过程中的残余应力，可以采用数值模拟方法。

首先，需要将热喷涂过程建模，包括涂层材料的物理特性、热传导、热辐射和流体力学等。

然后，根据实际情况设置边界条件和初始条件，并考虑喷涂参数的影响。

通过数值模拟，可以计算出涂层在热喷涂过程中的温度场和应力场。

然后，可以通过实验方法验证数值模拟结果。

可以在实际热喷涂过程中安装应变计等测量设备，实时监测涂层的应变情况。

同时，还可以采用X射线衍射等非破坏性测试方法，对涂层的晶体结构和残余应力进行测量。

通过实验数据的对比分析，可以验证数值模拟结果的准确性。

最后，根据分析结果，可以采取一些措施来控制热喷涂过程中的残余应力。

例如，可以优化喷涂参数，调整涂层的厚度和成分，以减小残余应力的产生。

此外，还可以采用后续热处理或机械加工等方法，对涂层进行应力释放或改变其应力状态，从而提高涂层的性能和寿命。

总之，热喷涂过程中的残余应力分析对于提高涂层质量和性能至关重要。

通过数值模拟和实验方法的结合，可以获得准确的应力分布信息，并采取相应的控制措施，从而实现涂层的有效保护和性能增强。

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。

热障涂层的作用机理全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：热障涂层是一种常用于航空航天领域的高技术涂层，它具有良好的隔热和耐高温性能，能够有效保护机体材料不受高温气流的侵蚀。

那么，热障涂层是如何实现这一功能的呢？下面我们就来详细探讨一下热障涂层的作用机理。

热障涂层主要包括两个组成部分：热障层和粘结层。

热障层通常由氧化铝、氧化锆等陶瓷材料构成，其主要作用是隔绝高温气流，减少热量传导到机体内部。

而粘结层则用于将热障层牢固地粘贴在机体表面，防止其脱落。

两者协同作用，构成了热障涂层的基本结构。

热障涂层的隔热性能主要依赖于热障层的结构和材料特性。

一般来说，热障层的密度低、孔隙率高，能够有效反射和散射高温气流的热辐射，减少热传导。

热障层材料具有耐高温性能，能够抵御高温气流的腐蚀作用。

由于热障层具有吸热、反射和散射等多种隔热机制，因此能够显著降低机体表面的温度，保护机体材料不受高温气流的侵蚀。

热障涂层还具有良好的抗热疲劳性能。

由于航空航天领域的飞行器在高速飞行过程中会受到高温气流的剧烈冲击，导致机体材料产生热膨胀和热收缩，容易产生裂纹和脱落。

而热障涂层的弹性和粘结性能可以有效缓解这种热应力，避免热疲劳破坏，从而延长机体的使用寿命。

热障涂层还可以提高飞行器的整体性能。

由于热障涂层能够有效降低机体表面的温度，减少空气阻力，提高飞行效率。

热障涂层还能减轻飞行器的自重，提高燃油利用率。

热障涂层不仅可以保护机体材料，还可以提高飞行器的性能指标，具有广泛的应用前景。

热障涂层的作用机理包括隔热、耐高温、抗热疲劳和提高整体性能等方面。

通过研究热障涂层的结构特点和材料性能，我们可以更好地理解热障涂层的作用机理，并进一步提高其性能，满足航空航天领域对高温材料的需求。

【文章结束】.第二篇示例：热障涂层是一种应用于航空航天等高温工作环境中的涂层技术，其作用是提高材料的耐高温性能，以保护基材不受高温气流的侵蚀和损坏。

热障涂层的作用机理主要包括热障效应、氧化保护和陶瓷保护。

重点阐述热障涂层成分的选择、热障涂层的结构设计、热障涂层的制备工艺、热障涂层的失效机理、寿命预测以及热障涂层的发展趋势。

研究背景随着科学技术的发展，在航天、航空、燃气发电、化工、冶金等众多领域，热障涂层将会得到更广泛的研究与应用。

推重比10一级发动机叶片表面的工作温度达到1 170 ℃以上, 目前最先进镍基高温合金单晶的使用温度不超过1 150 ℃, 且已接近其使用温度极限, 单独使用高温结构材料技术已不能满足先进航空发动机迅速发展的迫切要求, 采用热障涂层技术是目前大幅度提高航空发动机工作温度的唯一切实可行的方法。

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热障涂层系统对高温部件起到的主要保护功能有：陶瓷涂层能够起到良好的隔热降温效果，同时能够有效保护金属材料免受高温气流的冲蚀和腐蚀；粘结层能够起到良好的抗氧化作用，其材料成分主要是 MCrAlY，高温下与氧气发生反应后生成致密的氧化物(氧化铝）阻止了高温热气流对粘结层下的耐高温金属材料的进一步氧化热障涂层( TBCs) ,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粘结层金属结合层主要用于增强陶瓷涂层与基体的结合力、提高热膨胀系数匹配,也为了提高基体的抗氧化性。

目前,常用作结合层的合金为MCrAlY,其。

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。

发动机的高温工作环境对热端部件主要有3 种腐蚀(氧化)形式: 高温氧化、高温热腐蚀、低温热腐蚀，温度高于1 000 ℃时以高温氧化为主要腐蚀形式。

由于NiCoCrAlY 粘结层的抗氧化、抗热腐蚀综合性能较好，因此,飞机发动机叶片用热障涂层大多采用这种合金体系。

热障涂层表面出现的失效
热障涂层表面可能出现的失效问题包括：
1. 热障涂层剥落：涂层与基底金属之间的粘附力不足，导致涂层脱落。

主要原因可能是涂层制备不良，或者在使用过程中受到过大的温度变化和热应力。

2. 燃素击穿：在高温和高速气流的作用下，涂层表面可能出现溶解和侵蚀现象，导致涂层的燃素(主要成分为氧化锆)被冲刷掉，从而失去热隔离功能。

3. 裂纹和剥离：热障涂层表面可能出现裂纹，特别是在高温和热应力作用下。

这些裂纹可能导致涂层剥离或开裂，进一步加剧涂层的失效。

4. 腐蚀和氧化：在高温和气体环境中，热障涂层表面可能受到腐蚀和氧化的影响，特别是在存在湿气和腐蚀性物质的环境中。

这些问题可能导致涂层表面的局部失效或全面失效。

5. 热障涂层粒子熔化：在高温环境下，热障涂层表面的颗粒可能遭受熔化，导致涂层表面变得粗糙或失去原有的结构和功能。

这些失效问题可能会降低热障涂层的热隔离性能，从而影响涂层所保护的基底材料和工件的使用寿命和性能。

因此，为了确保热障涂层的有效性和稳定性，需要进行严格的涂层制备、材料选择和应用环境控制等措施。

第五届国际热喷涂研讨会论文第六届全国热喷涂年会论文（ＩＴＳＳ’２００２）（ＣＮＴＳＣ’２００２）某发动机导向叶片热障（ＴＢＣ）涂层研究韩松肇洋段绪海（沈阳黎明航空发动机集团有限责任公司１１００４３）。

摘要在航空发动机中，高温、高转速下工作的涡轮部件的热防护始终是设计中的难题。

目前世界上先进的航空发动机涡轮前的进ｕ温度已经达到１５００＂Ｃ，而原有的诸多降温保护方法也都基本趋于成熟，至此热障涂层作为一种新型的涡轮部件防护、降温方法越来越受到人们的重视。

某发动机的涡轮导向叶片的隔热涂层结构采用一元系统，即由金属粘接底层和隔热的陶瓷面层两部分组成，经试车、试飞考核后效果良好，满足了设计要求。

关键词：涡轮导向叶片ＴＢＯ涂层研究１引言某发动机是我国首台自行研制的中等推力发动机，其战技术指标和结构均具有一定的先进性。

该发动机的涡轮前温度较高，导致在热端部件均采用了较先进的耐高温材料和结构组合。

涡轮导向叶片长期在高温Ｆ工作受到高温氧化腐蚀和冷热疲劳的作用而容易引起严重的变形和烧蚀现象，为此，而采用抗高温氧化能力较强的５元合金作为粘接底层，以导热系数较低的氧化锆陶瓷作为热障防护涂层，利用常压等离子喷涂的工艺，在叶片表面形成一层隔热涂层，希望通过这两层功能性较强的涂层来延长叶片的寿命，再有就是如果涂层损坏了，还可以除掉残余涂层重新进行喷涂，从而进一步延艮叶片的使用寿命，另外由于导向叶片由前后腔的分流气膜进行冷却，前沿气膜孔直径只有０４ｍｍ，总数为２００余个，这就要求所喷涂的涂层除了要有一定的隔热性能外，还必须保证流量合格，以完全满足气流冷却的需要。

２试验过程：２１喷涂设备：ＭＥＴＣＯ一７Ｍ等离子喷涂系统配有９ＭＢ喷枪７ＭＣ控制柜７ＭＥ热交换器７ＭＲ电源４ＭＰ送粉器２２喷涂材料：底层：ＮｉＣｏＣｒＡｌ／Ｙ。

０。

超合金粉末中科院化冶所提供面层：Ｙ２０ｓ／ＣｅＯｚ／ＺｒＯ：陶瓷粉末中科院化冶所提供ｚｒ０２—８Ｙ２０。

陶瓷粉末辽宁硅酸盐研究所提供试件材料：镍基合金板材和ＧＨ３０合金板材或棒材、ＧＨ３９合金板材２３工艺２．３．１喷涂工序试件准备——清洗除油污——吹砂一——夹具保护——喷涂底层一一喷涂面层一一清理２．３．２吹砂上艺参数表１吹砂工艺参数砂子类型砂子粒度吹砂压力吹砂距离ｌ｜白刚玉８０目（１８０ｕｍ）０．２川．３ＭＰａ１００一１５０ｎｕｎｌ①本文通讯联系人：韩松（沈阳黎明航空发动机集团有限责任公司１１００４３）．３９．第五届国际热喷涂研讨会论文第六届全国热喷涂年会论文（１ＴＳＳ’２００２）（ｃＮＴＳＣ’２００２）２．３．３喷涂工艺参数表２啧涂工艺参数底层面层喷嘴／电极９ＭＢ７３２／９ＭＢ６３９ＭＢＴ３０／９ＭＢ６３主气压力（ｐｓｉ）８５———－１００７５—８０主气流量（ｆｔ３／ｈ）８０～ｔ２０７０—８５次气压力（ｐｓｉ）５０～６０５０—＿６５次气流量（ｆｔｌ／ｈ）】０～】５１５—１９电流（Ａ）５００—－—－５５０５５０～６００送粉器流量（格）３７—－—－４０３７—４０送粉速率（ｇ／ｍｉｎ）４０一一５０３５—５５喷涂距离（ｍｍ）１３５—１５０１００—１２０注：涂层的颜色应为均匀的乳白色（ｚｒＱ一８Ｙ：仉陶瓷粉末）或黄白色（Ｙ２０，／Ｃｅ（ｈ／ＺｒＯ，陶瓷粉末）；喷涂层的厚度用平头千分尺测量；在喷涂过程中，喷涂大约１０砂钟左右即停枪，以防止涂层过热而产生掉块现象。

热障涂层失效机制及其清洗技术研究进展郑海忠， 曹新鹏， 耿永祥（南昌航空大学 材料科学与工程学院，南昌　330063）[摘　要]热障涂层（thermal barrier coatings ，简称TBCs ）是提高航空发动机涡轮叶片工作温度的有效途径之一，然而在其使用过程中，由于受到热冲刷、高温腐蚀等因素而使其脱落失效，故而影响了航空发动机的工作效率。

本文首先分析了热障涂层的失效机制，阐明不同失效机制下热障涂层状态，总结了目前失效热障涂层的清除方式，重点探讨了激光清洗在热障涂层中的应用前景及未来发展趋势，为失效热障涂层的去除提供新的技术方案。

[关键词]热障涂层； 失效机制； 激光清洗[中图分类号] TN249 [文献标志码] A doi ：10.3969/j.issn.2096-8566.2021.01.001[文章编号]2096-8566(2021)01-0001-08Research Advance in Failure Mechanism of Thermal BarrierCoatings and Cleaning TechnologyZHENG Hai-zhong ， CAO Xin-peng ， GENG Yong-xiang（School of Materials Science and Engineering, Nanchang Hangkong University, Nanchang 330063, China ）Abstract : Thermal barrier coating is one of the effective ways to improve the working temperature of aero-engine turbine blades.However, due to thermal erosion, high-temperature corrosion and other factors, failure and falls off often occur during its service,thus affecting the working efficiency of aero-engine. In this paper, the failure mechanisms of thermal barrier coating are firstly analyzed, and the final state of thermal barrier coating under different failure mechanisms are clarified; then the current cleaning methods of thermal barrier coating are summarized; finally, the application prospect and future development trend of laser cleaning in thermal barrier coating are emphatically discussed, which provides a new technical scheme for the removal of thermal barrier coating.Key words: TBCs ； failure mechanism ； laser cleaning引　言航空发动机作为工业皇冠上的明珠，在航空工业发展中占据着举足轻重的地位。