熱障涂層制備方法與結構設想分析

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號學號:s20110477姓名：董雪亮姓名：董雪亮熱障涂層通常由金屬粘結層和隔熱的陶瓷層（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氣間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，同時可降低冷卻空氣需求量而顯著改善發(fā)動機性能，或在當前使用溫度條件下延長部件的使用壽命，據資料顯示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，粘結層及基體。MCrAlY是粘結層材料，起到抗氧化腐蝕、熱膨脹系數匹配的作用。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)過程中，熱障涂層失效主要是很由于快速冷卻過程中熱生長氧化層和熱應力的產生引起涂層剝落，其中熱應力的產生是引起剝落的根本原因。研究表明，這一應力包括四個方

3、面：熱膨脹失配和溫度梯度引起的兩種基本的熱應力；金屬粘結層熱氧化引起的熱生長應力以及氧化鋯相變應力。當這種熱應力超過涂層的結合強度時，涂層就會剝落。因此在熱循環(huán)過程中熱應力是熱障涂層剝落的根本原因。它導致裂紋在界面出萌生、發(fā)展、并最終使陶瓷層剝落。陶瓷層內的壓應力是導致涂層翹曲失穩(wěn)剝落的重要因素，因此提高粘結層的熱膨脹系數，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。適當提高粘結層的熱膨脹系數，可使熱障涂層在從

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

5、制溫度梯度產生的張應力效應，有利于抑制急速冷卻過程中裂紋的產生。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下，高速撞擊工件表面。噴涂過程中，首先是噴涂材料被加熱達到熔化或半熔化轉臺；然后是被氣流推動向前噴射的飛行階段；最后以一定的動能沖擊基體表面，產生強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數變形

6、粒子相互交錯，呈波浪形堆疊在一起的的層狀組織結構。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熱源，超音速以及低壓或保護氣氛噴涂可減少這種空隙、孔洞等缺陷。由于涂層是層狀結構，所以涂層的性能具有一定的方向性，涂層與基體表面的結合一般認為有以下兩種：機械結合，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，形成機械釘扎而結合；另一種熱循環(huán)

7、過程中得以保留；液體進入等離子體噴嘴的穿入深度對涂層的沉積效率有著很大的影響；涂層失效主要發(fā)生在陶瓷面層內靠近陶瓷面層與粘結層的界面處?？偟膩碚f，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：（1）獨特的顯微結構：涂層的晶粒尺寸大小為10~30nm；均勻的納米級和微米級孔隙；具有縱向微裂紋；不存在層狀顆粒和片層晶界；（2）納米晶粒長大過程受到抑制；（3）涂層具有良好的抗熱震性能。Solgel復合料漿熱壓濾法制備陶瓷涂層復合料漿

8、熱壓濾法制備陶瓷涂層采用Solgel復合料漿熱壓濾法制備出具有YPSZ顆粒鑲嵌于Al2O3Y2O3空間網絡膜結構的Al2O3ZrO2Y2O3復合涂層，則可既綜合Al2O3Y2O3和ZrO2Y2O3兩種涂層的優(yōu)點，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合結構，可以有效的降低聲子熱傳導和對流熱傳導，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復合涂層中Al2O

9、3Y2O3網絡膜能夠阻擋氧離子的傳輸，鑲嵌的YPSZ可以調節(jié)涂層與基體的熱膨脹匹配關系，同時涂層的納米微米微孔復合結構有利于應力的松弛，因此Al2O3ZrO2Y2O3復合涂層具有優(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）形成高溫時粘結層氧化形成的熱長大氧化物（thermallygrownoxidesTGO）這是一個體積膨脹過程。由于TGO的韌性與基體的相比微不足道，在

10、界面會限制這種體積變化，因此形成的TGO時會隨之出現殘余壓應力，冷卻到環(huán)境溫度時，殘余壓應力會進一步增大，TGO的形成和長大會在陶瓷層（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層分界面的應力。據靜態(tài)恒溫氧化實驗結果，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)境溫度的過程中。陶瓷層的相變與燒結陶瓷層的相變與燒結ZrO2陶瓷在不同的溫度存在正方相、立方相、

11、單斜相等晶型，隨著溫度的改變會發(fā)生相變，而單斜向四方相轉變剛好落在燃氣渦輪機使用溫度范圍內，這種相變時常伴隨著體積的變化，會增加涂層內的應力，導致涂層ZrO2碎裂，使涂層失效。沉積態(tài)陶瓷層處于1093℃以上會迅速燒結，燒結過程會導致體積的顯著變化和材料性能的改變，陶瓷燒結收縮引起平面壓應力，產生垂直于界面的裂紋，陶瓷變得更硬，相應塑性降低；同時陶瓷的熱導率普遍下降，對于EBPVDTBC燒結還會破壞陶瓷層的柱狀晶結構。熱膨脹系數失配及材料