熱障涂層制備方法與結(jié)構(gòu)設(shè)想分析

1、熱障涂層的研究與分析課程小論文熱障涂層的研究與分析課程小論文學(xué)號(hào)學(xué)號(hào):s20110477姓名：董雪亮姓名：董雪亮熱障涂層通常由金屬粘結(jié)層和隔熱的陶瓷層（常由Y2O3部分穩(wěn)定的ZrO2組成）雙層系統(tǒng)組成。在高溫合金葉片基體與高溫燃?xì)忾g提供隔熱層和抗氧化層，從而降低金屬部件的溫度，提高合金的工作溫度，使傳統(tǒng)的高溫合金能夠繼續(xù)使用，同時(shí)可降低冷卻空氣需求量而顯著改善發(fā)動(dòng)機(jī)性能，或在當(dāng)前使用溫度條件下延長(zhǎng)部件的使用壽命，據(jù)資料顯示250m厚的熱

2、障涂層可降低金屬基體溫度111~167℃，減少燃油消耗近20%。熱障涂層通常包含3層，陶瓷面層，粘結(jié)層及基體。MCrAlY是粘結(jié)層材料，起到抗氧化腐蝕、熱膨脹系數(shù)匹配的作用。通常采用熱噴涂、電弧離子鍍、磁控濺射或電子束物理氣相沉積制備。熱障涂層的失效形式主要有屈曲失穩(wěn)和邊緣剝落，在熱循環(huán)過(guò)程中，熱障涂層失效主要是很由于快速冷卻過(guò)程中熱生長(zhǎng)氧化層和熱應(yīng)力的產(chǎn)生引起涂層剝落，其中熱應(yīng)力的產(chǎn)生是引起剝落的根本原因。研究表明，這一應(yīng)力包括四個(gè)方

3、面：熱膨脹失配和溫度梯度引起的兩種基本的熱應(yīng)力；金屬粘結(jié)層熱氧化引起的熱生長(zhǎng)應(yīng)力以及氧化鋯相變應(yīng)力。當(dāng)這種熱應(yīng)力超過(guò)涂層的結(jié)合強(qiáng)度時(shí)，涂層就會(huì)剝落。因此在熱循環(huán)過(guò)程中熱應(yīng)力是熱障涂層剝落的根本原因。它導(dǎo)致裂紋在界面出萌生、發(fā)展、并最終使陶瓷層剝落。陶瓷層內(nèi)的壓應(yīng)力是導(dǎo)致涂層翹曲失穩(wěn)剝落的重要因素，因此提高粘結(jié)層的熱膨脹系數(shù)，有利于抑制涂層層間裂紋和表面龜裂的形成，但增加了涂層翹曲失穩(wěn)的可能性。適當(dāng)提高粘結(jié)層的熱膨脹系數(shù)，可使熱障涂層在從

4、高溫冷卻到室溫后處于一個(gè)參與熱應(yīng)力較低的狀態(tài)。TGO粘結(jié)層界面處的剝落應(yīng)力和陶瓷表面的拉斷應(yīng)力均為張應(yīng)力，該應(yīng)力均隨著粘結(jié)層的熱膨脹系數(shù)的增大而減少。這是由于快速降溫時(shí)，外表面快速冷卻，溫度較低，而內(nèi)部依然保持較高的高溫。特別是由于氧化物的導(dǎo)熱性能差，在陶瓷層中存在較大的溫度梯度。因而該溫度梯度導(dǎo)致表面陶瓷層收縮大于內(nèi)部金屬層，導(dǎo)致表面涂層兩端翹起，產(chǎn)生張應(yīng)力。提高內(nèi)部金屬的粘結(jié)層的熱膨脹系數(shù)，使溫度較高的內(nèi)部也能產(chǎn)生較大的收縮，可以抑

5、制溫度梯度產(chǎn)生的張應(yīng)力效應(yīng)，有利于抑制急速冷卻過(guò)程中裂紋的產(chǎn)生。等離子體噴涂熱障涂層等離子體噴涂熱障涂層等離子噴涂是把金屬或陶瓷粉末送入高溫的等離子體火焰，即利用等離子體焰流將噴涂材料加熱到熔融或高塑性狀態(tài)。在高速等離子體火焰的引導(dǎo)下，高速撞擊工件表面。噴涂過(guò)程中，首先是噴涂材料被加熱達(dá)到熔化或半熔化轉(zhuǎn)臺(tái)；然后是被氣流推動(dòng)向前噴射的飛行階段；最后以一定的動(dòng)能沖擊基體表面，產(chǎn)生強(qiáng)烈碰撞展平成扁平層并瞬間凝固。最終形成的噴涂涂層是由無(wú)數(shù)變形

6、粒子相互交錯(cuò)，呈波浪形堆疊在一起的的層狀組織結(jié)構(gòu)。顆粒與顆粒之間不可避免的存在一部分空隙或者孔洞，其孔隙率一般在4%~20%之間，涂層中伴有氧化物和夾雜。采用等離子體弧高溫?zé)嵩?，超音速以及低壓或保護(hù)氣氛噴涂可減少這種空隙、孔洞等缺陷。由于涂層是層狀結(jié)構(gòu)，所以涂層的性能具有一定的方向性，涂層與基體表面的結(jié)合一般認(rèn)為有以下兩種：機(jī)械結(jié)合，碰撞而成的扁平狀的顆粒隨基體表面有一定的起伏，和凹凸不平的表面互相嵌合，形成機(jī)械釘扎而結(jié)合；另一種熱循環(huán)

7、過(guò)程中得以保留；液體進(jìn)入等離子體噴嘴的穿入深度對(duì)涂層的沉積效率有著很大的影響；涂層失效主要發(fā)生在陶瓷面層內(nèi)靠近陶瓷面層與粘結(jié)層的界面處?？偟膩?lái)說(shuō)，利用溶液注入等離子體噴涂工藝制備的熱障涂層具有以下特點(diǎn)：（1）獨(dú)特的顯微結(jié)構(gòu)：涂層的晶粒尺寸大小為10~30nm；均勻的納米級(jí)和微米級(jí)孔隙；具有縱向微裂紋；不存在層狀顆粒和片層晶界；（2）納米晶粒長(zhǎng)大過(guò)程受到抑制；（3）涂層具有良好的抗熱震性能。Solgel復(fù)合料漿熱壓濾法制備陶瓷涂層復(fù)合料漿

8、熱壓濾法制備陶瓷涂層采用Solgel復(fù)合料漿熱壓濾法制備出具有YPSZ顆粒鑲嵌于Al2O3Y2O3空間網(wǎng)絡(luò)膜結(jié)構(gòu)的Al2O3ZrO2Y2O3復(fù)合涂層，則可既綜合Al2O3Y2O3和ZrO2Y2O3兩種涂層的優(yōu)點(diǎn)，獲得更好的綜合效果。使用熱壓濾法制備的PYSZ涂層具有納米微米微孔復(fù)合結(jié)構(gòu)，可以有效的降低聲子熱傳導(dǎo)和對(duì)流熱傳導(dǎo)，使涂層具有較高的熱障效果。涂層的熱障效果隨料漿中溶膠含量的增加而增高。Al2O3ZrO2Y2O3復(fù)合涂層中Al2O

9、3Y2O3網(wǎng)絡(luò)膜能夠阻擋氧離子的傳輸，鑲嵌的YPSZ可以調(diào)節(jié)涂層與基體的熱膨脹匹配關(guān)系，同時(shí)涂層的納米微米微孔復(fù)合結(jié)構(gòu)有利于應(yīng)力的松弛，因此Al2O3ZrO2Y2O3復(fù)合涂層具有優(yōu)異的抗高溫氧化和抗氧化物剝落的能力。熱障涂層的失效形式熱障涂層的失效形式金屬氧化物（金屬氧化物（TGO）形成）形成高溫時(shí)粘結(jié)層氧化形成的熱長(zhǎng)大氧化物（thermallygrownoxidesTGO）這是一個(gè)體積膨脹過(guò)程。由于TGO的韌性與基體的相比微不足道，在

10、界面會(huì)限制這種體積變化，因此形成的TGO時(shí)會(huì)隨之出現(xiàn)殘余壓應(yīng)力，冷卻到環(huán)境溫度時(shí)，殘余壓應(yīng)力會(huì)進(jìn)一步增大，TGO的形成和長(zhǎng)大會(huì)在陶瓷層（等離子噴涂熱障涂層）或TGO（EPPVD熱障涂層）的顯微缺陷處引起垂直于陶瓷層粘結(jié)層分界面的應(yīng)力。據(jù)靜態(tài)恒溫氧化實(shí)驗(yàn)結(jié)果，TGO的形成本身不足以引起TBC的剝落，TBC的剝落往往是發(fā)生在試樣從爐中取出冷卻到環(huán)境溫度的過(guò)程中。陶瓷層的相變與燒結(jié)陶瓷層的相變與燒結(jié)ZrO2陶瓷在不同的溫度存在正方相、立方相、

11、單斜相等晶型，隨著溫度的改變會(huì)發(fā)生相變，而單斜向四方相轉(zhuǎn)變剛好落在燃?xì)鉁u輪機(jī)使用溫度范圍內(nèi)，這種相變時(shí)常伴隨著體積的變化，會(huì)增加涂層內(nèi)的應(yīng)力，導(dǎo)致涂層ZrO2碎裂，使涂層失效。沉積態(tài)陶瓷層處于1093℃以上會(huì)迅速燒結(jié)，燒結(jié)過(guò)程會(huì)導(dǎo)致體積的顯著變化和材料性能的改變，陶瓷燒結(jié)收縮引起平面壓應(yīng)力，產(chǎn)生垂直于界面的裂紋，陶瓷變得更硬，相應(yīng)塑性降低；同時(shí)陶瓷的熱導(dǎo)率普遍下降，對(duì)于EBPVDTBC燒結(jié)還會(huì)破壞陶瓷層的柱狀晶結(jié)構(gòu)。熱膨脹系數(shù)失配及材料