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纳米YSZ热障涂层隔热行为研究

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纳米YSZ热障涂层隔热行为研究
吕艳红，吴子健，唐建新，张虎寅
(钢铁研究总院七室，北京 100081)
摘要：通过测试等离子喷涂纳米氧化钇稳定氧化锆热障涂层的热扩散率、比热容及密度，得出涂层的热导率，借以评价涂层的隔热效果。

借助X射线衍射和扫描电镜测定涂层的晶粒度和微观形貌。

结果表明，从室温至900 ℃涂层的热导率范围为0.5565～0.6479 W/(m×K)，涂层中存在大量未完全熔化的纳米颗粒和小孔径孔隙，对降低涂层的热导率，提高涂层的隔热性能极为有利。

关键词：纳米YSZ热障涂层；热导率；隔热效果
中图分类号：TG174.442 文献标识码：A文章编号：1007–9289 (2006)01–0024–04 Study on the Heat Insulting Behavior of Nanostructure YSZ Thermal Barrier Coatings
LU Yan-hong, WU Zi-jian, TAN Jian-xin, ZHANG Hu-yin
(central Iron & Steel Research Institute, Beijing 100081)
Abstract: The thermal diffusivity, specific heat and density of Yttria Stabilized nanostructured Zirconia (YSZ) thermal barrier coatings (TBCs) were tested in order to estimate the heat insulting effect. In virtue of SEM and XRD the microstructure and grain size of coating were aqnalysed. The results indicated that the thermal conductivity of the coating in the temperature range from room temperature to 900 ℃ was 0.5565～0.6479 W/(m×K). It was found that there existed a great deal unmolten fine particles and many micro-pores in the coatings, which were in great favor of reducing the thermal conductivity and improving the heat insulting effect.
Key words: YSZ nano-structured thermal barrier coatings; thermal conductivities; heat insulting effect
0引 言
现代航空燃气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发动机的进口温度。

由于受高温合金熔点的限制,进一步提高其工作温度的潜力已十分有限,因此高温热障涂层（TBCs）已成为航空发动机制造技术中不可缺少的重要组成部分[1]。

而隔热效果是评价TBCs性能的一项重要的技术指标，它将直接关系到工件工作温度的高低。

文中采用大气等离子喷涂制备纳米氧化钇稳定氧化锆（YSZ）TBCs，测试涂层从室温至900 ℃的热导率，探讨了纳米TBCs在高温下的隔热行为。

1试 验
1.1 试验材料
收稿日期：2005–12–22；修回日期：2006–01–04
作者简介：吕艳红(1976–)，女(汉)，河北景县人，讲师，硕士生。

选用湖北地大纳米材料有限公司生产的氧化钇稳定氧化锆（6 % Y2O3 ·ZrO2，YSZ）纳米团聚粉末，平均粒径45~70 µm(见图1所示)。

将材料喷涂在石墨基体上。

1.2试验方法
1.2.1涂层制备方法
采用PS–50kW大气等离子喷涂设备制备纳米YSZ热障涂层，涂层制备工艺参数见表1中所示。

1.2.2涂层热扩散率测试
按照GJB1201.1–91 《固体材料高温热扩散率试验方法激光脉冲法》测试涂层的热扩散率。

测试前将涂层从基体上取下，磨制成规格为φ10×1.5 mm圆片，试样两平行面的平行度小于0.02。

试验委托航天工业总公司检测分析中心进行测试。

测试设备为激光导热测定仪。

样品两件，测试温度点为室温，400、600、和900 ℃。

表1 等离子喷涂纳米YSZ热障涂层的工艺参数
Table 1 Spraying parameters for nanostructured YSZ TBCs of APS
2006年2月 CHINA SURFACE ENGINEERING Feb. 2006 26 中 国 表 面 工 程2006年。

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纳米结构YSZ热障涂层在薄片合金基板上的制备及性能研究

纳米结构YSZ热障涂层在薄片合金基板上的制备及性能研究

纳米结构YSZ热障涂层在薄片合金基板上的制备及性能研究卢有庆;梁欣宇;陈会杰;项小强;周长海【摘要】通过大气等离子体喷涂在GH4049薄壁合金上制备了纳米结构的ZrO2-8％ Y2O3热障涂层,分析了涂层的抗热震性能和热腐蚀性能.结果表明制备态的涂层为t'相;900℃热震150次后,表面裂纹开始快速生长;热腐蚀150 h后,表面出现束状的YVO4产物.【期刊名称】《热处理技术与装备》【年(卷),期】2016(037)005【总页数】4页(P30-33)【关键词】热障涂层;等离子体喷涂;热震;热腐蚀【作者】卢有庆;梁欣宇;陈会杰;项小强;周长海【作者单位】黑龙江科技大学材料科学与工程学院,黑龙江哈尔滨150022;黑龙江科技大学材料科学与工程学院,黑龙江哈尔滨150022;黑龙江科技大学材料科学与工程学院,黑龙江哈尔滨150022;黑龙江科技大学材料科学与工程学院,黑龙江哈尔滨150022;黑龙江科技大学材料科学与工程学院,黑龙江哈尔滨150022【正文语种】中文【中图分类】TG174.444·表面改性与工艺·随着能源需求迅猛增长以及天然气资源进入大规模开发利用，燃气轮机成为各个国家优先发展的重大技术之一。

而热效率的提高更是衡量燃气轮机发展水平的重要标志。

目前主要在高温部件表面进行涂层制备，提高其抗氧化、抗腐蚀等性能，来提高燃气的燃烧温度，进而提高热效率。

但部件基体材料的熔点限制了通过此方法进一步提高热效率的发展[1-3]。

热障涂层技术的发明与应用提高了基体材料的使用环境温度，可继续提高燃气的燃烧温度，对热效率的提高尤为显著[1]。

广泛用于柴油发动机活塞、涡轮发动机燃烧室、阀门和火焰稳定器等这些厚壁的部件，在叶片、涡轮片这些薄壁件上应用还不多，主要因为薄壁件在喷涂过程中由于热应力的作用，极易发生变形或存在涂层缺陷，影响热障涂层的质量。

本项目在GH4049高温合金薄壁上采用大气等离子喷涂技术制备了(NiCrAlY+ZrO2-8%Y2O3) 热障涂层，更贴近燃气轮机等叶片、涡轮的薄壁结构，并对涂层的组织、热震性能及热腐蚀行为进行了分析。

纳米YSZ热障涂层高温时效过程中组织演变研究

纳米YSZ热障涂层高温时效过程中组织演变研究

纳米YSZ热障涂层高温时效过程中组织演变研究原慷;于月光;冀晓鹃;Xin-HaiLi;KrishnaPraveenJonnalagadda;RuLinPeng【摘要】燃气轮机长期运行过程中,热端部件如燃烧室内壁和前级涡轮叶片长期经受高温火焰冲击,涂层材料会产生时效行为.在时效过程中,热障涂层会发生组织演变,影响涂层性能与寿命.本文对一种高纯纳米YSZ热障涂层进行了不同温度的时效考核,研究材料在高温中组织演变行为,并对涂层孔隙率变化规律进行了热动力学分析.结果表明,在高温过程中,YSZ涂层中残留的纳米界面会进一步融合并逐渐演变为微米晶;受热动力学机制支配,涂层中孔隙闭合消损,造成涂层孔隙率下降.另外,本文还统计分析了涂层的相变行为.【期刊名称】《热喷涂技术》【年(卷),期】2018(010)001【总页数】8页(P15-22)【关键词】YSZ;热障涂层;高温时效;组织演变;孔隙率【作者】原慷;于月光;冀晓鹃;Xin-HaiLi;KrishnaPraveenJonnalagadda;RuLinPeng【作者单位】北京矿冶科技集团有限公司,北京 100044;北京市工业部件表面强化与修复工程技术研究中心,北京 102206;北矿新材科技有限公司,北京 102206;北京矿冶科技集团有限公司,北京 100044;北京市工业部件表面强化与修复工程技术研究中心,北京 102206;北矿新材科技有限公司,北京 102206;北京矿冶科技集团有限公司,北京 100044;北京市工业部件表面强化与修复工程技术研究中心,北京102206;北矿新材科技有限公司,北京 102206;西门子燃气轮机制造公司,芬斯邦61283,瑞典;林雪平大学,林雪平 58183,瑞典;林雪平大学,林雪平 58183,瑞典【正文语种】中文【中图分类】TG174.4热障涂层（TBCs）在航空发动机及地面燃气轮机热端部件（燃烧室、前级涡轮叶片）中已得到广泛应用[1, 2]。

热障涂层的研究现状与发展方向

热障涂层的研究现状与发展方向

单斜相 1180 ℃ 正方相 2370 ℃ 立方相 2680 ℃ 熔点 950 ℃
从正方相向单斜相转变 ,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 。20 世纪 60 年代用 MgO 和 CaO 作为稳定剂 ,后来发现以这两种氧化物 作为稳定剂的涂层组织稳定性不好 ,燃气的硫化作用使 MgO 和 CaO 从涂层中析出 ,降低了对 ZrO2 相的稳定作用 ,使涂层的 热循 环 寿 命 降 低 , 目 前 这 两 种 稳 定 剂 已 基 本 被 Y2 O3 所 替 代[6 ,7] 。Stecura 等对不同 Y2 O3 含量稳定的 ZrO2 陶瓷涂层的 热物性能进行了分析 ,结果表明在 Y2 O3 含量为 6 %～8 %时[8] , 陶瓷涂层抗热循环性能最好 ,寿命最长 。
据报道 ,目前美国几乎所有的陆用和船用燃气轮机都采用 了 TBCs ,每年约有 300t 氧化锆材料用在 TBCs 上 ,在未来 10 年中 TBCs 将达到 12 %的年增长率 ,其中在发动机部件中的年 增长率将达到 25 %[2] ,具有广阔的应用开发前景 。近年来 ,随 着航空燃气涡轮机向高流量比 、高推重比 、高进口温度方向发 展 ,燃烧室中的燃气温度和压力也不断提高 。目前 ,燃气温度已 接近 2000 K ,因此航空发动机涡轮叶片的合金材料上需喷涂热 障涂层以承受 1600 ℃以上的涡轮进口温度[4] 。实际应用的热 障涂层大多采用由陶瓷隔热表层和金属粘结底层组成的双层结 构 ,6 %～8 %氧化钇稳定的氧化锆 ( YSZ) 是目前使用最广泛的 陶瓷隔热表层材料 ,金属粘结底层主要为 MCrAl Y 合金 ,其中 M 代表 Ni 、Co 或 NiCo [5] 。由于 YSZ 热障涂层的长期使用温度 为 1200 ℃,超过 1200 ℃,相变加剧 ,易烧结 ,氧传导率高 ,过渡金 属易被氧化 ,导致涂层失效 ,已难以满足涡轮进口温度进一步提 高的需要 。
纳米结构热障涂层的制备与性能研究

纳米结构热障涂层的制备与性能研究

第26卷 第3期2006年6月航 空 材 料 学 报J OURNAL OF A ERONAUT ICAL MAT ER I A LSV o.l 26,N o .3June 2006纳米结构热障涂层的制备与性能研究王 宁1,赵维勋2,王 平3,王 璐2,贺世美1,黄光宏1,冯自修1,魏 政2(1.北京航空材料研究院,北京100095;2.沈阳黎明航空发动机公司,沈阳110043;3.湖北地大纳米材料制造公司,武汉430074)摘要:为充分发掘氧化锆(Y SZ:ZrO 2-6w t %Y 2O 3)基热障涂层的潜力,利用纳米级的Y SZ 粉末作为陶瓷涂层原材料,分别对采用等离子喷涂(A PS)和电子束物理气相沉积(EB -PVD )沉积具有纳米结构陶瓷涂层的工艺过程进行全面研究。

对比性试验结果表明,涂层中引入纳米结构使热障涂层具有更高的隔热效果,更高的硬度以及更高的抗剥落能力。

并对纳米结构陶瓷涂层微观结构的高温稳定性进行研究分析。

关键词:热障涂层;物理气相沉积;等离子喷涂;纳米粉末;纳米结构中图分类号:TG174.444 文献标识码:A 文章编号:1005-5053(2006)03-0157-06收稿日期:2006-01-18;修订日期:2006-03-24作者简介:王宁(1963-),男,研究员,(E-m a il)ning .w ang @b i am.ac .cn 。

热障涂层(TBCs)是由抗氧化腐蚀的金属粘结底涂层(bondcoat)和隔热的陶瓷表面涂层(TBC)构成的复合功能涂层。

它的应用对提高航空发动机的效能起着重要的作用。

采用热障涂层作为阻隔高温燃气直接作用的物理屏障,有效地降低了基体合金的实际工作温度,可显著提高热端部件的使用性能和寿命[1~3]。

尽管热障涂层在航空发动机上的应用日益普遍,但表面陶瓷层的实际隔热效果和涂层剥落问题一直影响着热障涂层在高压涡轮叶片上的推广应用。

因为陶瓷隔热层一旦剥落,将会在局部产生热井,使叶片合金暴露于更加危险的高温燃气中导致过早失效。