熱噴涂熱障涂層的界面化合物組成控制及其高溫失效機(jī)理研究.pdf

1、熱障涂層技術(shù)廣泛應(yīng)用于航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)及地面燃?xì)廨啓C(jī)的高溫腐蝕防護(hù),它可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)高溫服役壽命和提高效率。本文首先概述了近些年經(jīng)典YSZ熱障涂層材料和新型燒綠石結(jié)構(gòu)熱障涂層材料的研究進(jìn)展,熱障涂層的熱噴涂工藝(等離子噴涂技術(shù)、超音速火焰噴涂技術(shù))、冷噴涂技術(shù)、電子束物理氣相沉積技術(shù),熱障涂層基本界面失效及破壞機(jī)理及其延長(zhǎng)熱障涂層壽命的基本手段等內(nèi)容。制備熱障涂層利用超音速火焰噴涂技術(shù)和大氣等離子技術(shù)制備粘結(jié)層(CoNiCrAlY、NiC

2、rAlY和CoCrAlY)和陶瓷層(8wt.％YSZ)。本論文的目的是深入研究粘結(jié)層界面形貌、不同基底合金、TGO(包括θ-Al2O3→α-Al2O3等)相變、TGO殘余應(yīng)力、尖晶石生長(zhǎng)以及TGO生長(zhǎng)率之間的聯(lián)系及其對(duì)熱障涂層高溫失效的影響,特別是經(jīng)預(yù)先真空氧化處理后熱障涂層高溫服役后的TGO相變情況以及TGO/TBC界面力學(xué)性能。獲得的主要研究結(jié)果如下:
　　⑴揭示了鑄鐵基底制備熱障涂層的高溫氧化后界面熱生長(zhǎng)氧化物的特點(diǎn)。粘結(jié)層

3、/陶瓷層界面的CS層與Al2O3層的厚度變化主要分為三個(gè)階段,其增長(zhǎng)均與Al原子的擴(kuò)散順暢程度密切相關(guān)。同時(shí),粘結(jié)層/基底合金界面的局域化氧化物為層狀與塊狀交替形貌,其成分主要為Al2O3。
　?、平沂玖瞬煌瘜W(xué)成分對(duì)TGO高溫相變的重要影響。鎳基合金基底在1050℃高溫氧化后TGO的生長(zhǎng)率明顯比鑄鐵基底的慢;TGO相變機(jī)制主要受Al3+和Cr3+控制,鑄鐵基底的粘結(jié)層中的小半徑陽離子Cr3+導(dǎo)致θ-Al2O3→α-Al2O3相變

4、被加速;鑄鐵基底的θ-Al2O3→α-Al2O3相變過程持續(xù)時(shí)間短的多。
　?、墙沂玖苏辰Y(jié)層的形貌和TGO物相對(duì)熱障涂層殘余應(yīng)力的重要影響。同時(shí),波浪狀TGO凸出的頂部部位具有最高的殘余壓應(yīng)力。低幾何參數(shù)b/a的波浪形TGO凸出部分頂部尖晶石的生長(zhǎng)不明顯,側(cè)部分有少量的尖晶石,而高幾何參數(shù)b/a的波浪形TGO凸出部分在頂部及側(cè)面有明顯的“尖晶石帽子”形貌。鑄鐵基底的熱障涂層波浪狀TGO具有頻率較高的尖晶石凸出部分,且其由于提早結(jié)束

5、了θ-Al2O3→α-Al2O3相變而導(dǎo)致總體殘余壓應(yīng)力低于鎳基底合金。
　　⑷揭示了在特定的預(yù)先真空熱處理工藝條件下可以抑制高溫氧化后Co基耐高溫腐蝕涂層的TGO中大量Cr2O3、CoO和尖晶石類氧化物,使得TGO的主要成分晶粒尺寸為0.4-1μm的低Y含量的Al2O3和零星分布著的高Y含量Al2O3。較長(zhǎng)時(shí)間高溫氧化后,TGO形成了數(shù)微米厚的連續(xù)和單一的晶粒尺寸為1μm左右的Al2O3,僅有少量尖晶石生成。
　?、设b于9

6、50-1100℃為Al2O3相變范圍,在此溫度范圍優(yōu)化了預(yù)先真空氧化復(fù)合熱處理工藝制度:真空熱處理溫度為1050℃,總時(shí)間為4小時(shí),升溫階段的真空度不低于7×10-3Pa,恒溫加熱階段的真空度保持不高于3×10-3Pa,從室溫開始升溫,升溫速度為8℃/min。然后,①在大氣環(huán)境中加熱至1000℃,保溫?cái)U(kuò)散10小時(shí);②在大氣環(huán)境中加熱至1100℃,保溫?cái)U(kuò)散10小時(shí)。
　?、侍岢隽嗽跓嵴贤繉拥母邷匮趸?-17小時(shí)的初始階段,通過有效控

7、制預(yù)先復(fù)合真空熱處理制度,調(diào)節(jié)θ-Al2O3→α-Al2O3相變對(duì)于調(diào)節(jié)熱障涂層的高溫服役壽命很有意義。同時(shí),一種從定向生長(zhǎng)的大晶粒氧化鋁演化成的TGO具有下層(Al,Cr)2O3特征的熱障涂層的高溫氧化服役壽命比較長(zhǎng)。
　　⑺建立了熱障涂層的TGO和TGO/TBC界面的力學(xué)演化模型。提出了特定的預(yù)先真空復(fù)合熱處理工藝使得高溫氧化后涂層的TGO區(qū)域能量釋放率首先達(dá)到最大值,TGO內(nèi)的微裂紋或者微缺陷吸收了大量的能量,涂層壽命相對(duì)比