纳米掺杂Al_2O_3_ZrO_2等离子喷涂热障涂层组织结构研究
等离子喷涂ZrO_2热障涂层孔隙结构的研究
Pores structure in ZrO 2 2N i / A l grad ien t therma l barr ier coa tings
prepared by pla sma 2spray ing
L IU Bao2fu1 , ZHAN Zhao2lin1 , ZHANG Hong2song2 , L I li1
陶瓷层 100 ZrO 2
015
涂层总 厚度 /mm
110
表 2 等离子喷涂工艺参数
Table 2 Param eters in the pla sma 2spray ing processes
成分
电流 / A r流量 / N2 流量 / 送粉率 / 距离 /
(质量分数 , % )
A
L·m in - 1 L·m in - 1 g·m in - 1 mm
将制备好涂层的试样沿横截面切开 ,经研磨 、抛光 处理后制得金相试样 。采用 OLYM PUS2PM E3 光学显 微镜 ,在选定的灰度水平和放大倍数下观察涂层的显
96
《 金属热处理 》2007年第 32卷第 12期
微组织 ,使用 V ideo Test2M aster图像分析系统对涂层 各区域的孔隙结构进行定量分析 。
的液滴之中 ,涂层在沉积时由于冷却速度极快 ,溶解气 果基 本 一 致 [9 ] , 但 其 未 对 陶 瓷 2金 属 混 合 层 (中 间
体来不及完全释放而形成孔隙 ,同时熔融颗粒的不完 全搭接也会形成孔隙 [ 10 ] 。小孔隙主要是溶解在颗粒
C r3 C2 2N iCr层 )的孔隙率分布进行分析 。 梯度涂层各区域的孔隙率测试结果见表 3,表 3
度涂层中各区域的孔隙率差别不大 ,在陶瓷 2中间层过
211114944_热障涂层先进结构设计研究进展
第52卷第4期表面技术2023年4月SURFACE TECHNOLOGY·85·热障涂层先进结构设计研究进展刘嘉航a，吕哲a，周艳文a，解志文b，陈浩a，程蕾a，黄士罡a（辽宁科技大学 a.材料与冶金学院 b.机械工程与自动化学院，辽宁 鞍山 114051）摘要：随着航空航天技术的不断发展，不断提高的涡轮前进口温度及恶劣的使用环境对镍基高温合金的使用性能提出了更高的要求。
热障涂层是一种应用于涡轮发动机热端部件的表面技术，通过沉积在镍基高温合金表面，降低合金表面的温度。
概述了采用传统单层层状氧化钇部分稳定氧化锆热障涂层的优势，包括较低的制备成本、便捷的制备方式及较低的层间热膨胀失配应力。
同时，归纳了单层层状热障涂层在高温环境下存在的问题，包括氧化锆相变与烧结造成的涂层失效，以及热膨胀系数和断裂韧性较差的新型陶瓷材料无法直接制备在黏结层表面。
在此基础上重点综述了近年来热障涂层先进结构设计的研究进展，包括双层层状结构、柱状结构、垂直裂纹结构及复合结构热障涂层，其中复合结构包括激光表面改性结构、梯度涂层结构及粉末镶嵌结构热障涂层。
针对各种先进结构热障涂层，分别从微观结构、热震寿命、涂层内部应力、耐腐蚀性能、抗氧化性能等方面进行了归纳，并总结了各先进结构热障涂层现阶段发展的不足之处。
最后展望了热障涂层先进结构设计的发展方向。
关键词：热障涂层；结构设计；微观结构；制备方式；使用性能；研究进展中图分类号：TG174.4 文献标识码：A 文章编号：1001-3660(2023)04-0085-15DOI：10.16490/ki.issn.1001-3660.2023.04.006Research Progress of Advanced Structural Designof Thermal Barrier CoatingsLIU Jia-hang a, LYU Zhe a, ZHOU Yan-wen a, XIE Zhi-wen b,CHEN Hao a, CHENG Lei a, HUANG Shi-gang a(a. School of Materials and Metallurgy, b. School of Mechanical Engineering and Automation, University ofScience and Technology Liaoning, Liaoning Anshan 114051, China)ABSTRACT: Due to their excellent thermal insulation properties, high hardness and good chemical stability, thermal barrier coatings are one of the best solutions for improving the service life of hot end components for turbine engines, reducing fuel consumption, increasing efficiency and improving the thrust-to-weight ratio of engines. In recent years, with the continuous development of thermal barrier coating preparation technology and ceramic layer materials, the structure and various properties收稿日期：2021–12–18；修订日期：2022–04–25Received：2021-12-18；Revised：2022-04-25基金项目：国家自然科学基金（51702145）；辽宁省教育厅服务地方项目（FWDF202003）Fund：National Natural Science Foundation of China (51702145); Liaoning Provincial Department of Education Project Services Local Projects (FWDF202003)作者简介：刘嘉航（1997—），男，硕士生，主要研究方向为热障涂层。
210969727_等离子喷涂-物理气相沉积YSZ热障涂层的制备及微观结构研究
0引言航空涡轮发动机服役环境苛刻.热障涂层（ther ‐mal barrier coatings ，TBC ）作为涡轮发动机叶片及在其他燃机中不可缺少的材料，保障了燃机热端部件在高温氧化、冷热循环、熔盐腐蚀等极端环境中的正常工作.热障涂层与气膜冷却技术的结合，在提高发动的推重比、服役寿命、工作稳定性等方面发挥至关重要的作用[1].典型的热障涂层系统主要包括隔热陶瓷层（通常是YSZ ：ZrO 2-Y 2O 3）和作为黏结层的抗高温氧化金属层（通常是MCrAlY ）以及高温合金基体.在高温环境中，涂层底部和金属层之间生成热生长氧化物（TGO ）层[2].热障涂层的化学组成成分和微观结构形貌特征决定了热障涂层的工作性能及长期稳定性.目前热障涂层的主要制备技术是大气等离子喷涂（APS ）和电子束-物理气相沉积（EB-PVD ）技术，这2种技术制备出的热障涂层结构差异较大，这也使得涂层的热导率、应变容限、热循环寿命等性能相差较大[3].APS 制备热障涂层时，涂层材料以熔融或半熔融扁平粒子的状态进行沉积生长，微观下涂层呈层状结构，隔热性能好（热导率<1.5W ·（m ·K ）−1，1000℃），但结合强度低（<30MPa ）.EB-PVD 通过电子束加热蒸发涂层材料，加热后的材料以气相原子状态为主进行沉积生长，制备出的涂层在微观下呈现较为均匀的柱状结构，但热导率较高[1，4]，且隔热性能较差.近年来，等离子喷涂-物理气相沉积（PS-PVD ）已成为新兴发展的热障涂层制备技术，使用该技术制备热障涂层并应用于航空涡轮发动机涡轮叶片表面已进入工程化阶段[5].PS-PVD 结合了APS 及EB-PVD 优势，具有沉积效率高、可实现非视线沉积[6]等优点，能够制备出应变容限良好、热循环寿命长的热障涂层.同时，通过参数调控还可以实现单相或多相沉积，制备出不同结构的热障功能涂层[7-8].等离子喷涂-物理气相沉积YSZ 热障涂层的制备及微观结构研究徐静1，2，毛杰*2，梁兴华1，邓子谦2，邓春明2，邓畅光2，刘敏2（1.广西汽车零部件与整车技术重点实验室（广西科技大学），广西柳州545006；2.广东省科学院 a.广东省新材料研究所；b.现代材料表面工程技术国家工程实验室；c.广东省现代表面工程技术重点实验室，广东广州510650）摘要：热障涂层与冷却技术结合可以极大地提高航空涡轮发动机叶片的服役温度，而羽毛柱状结构的等离子喷涂-物理气相沉积（PS-PVD ）热障涂层因其热导率低、应变容限良好、热循环寿命长等优势备受关注.通过进行物相分析，使用扫描电子显微镜（SEM ）观察热障涂层表面及截面的形貌结构；在SEM 二维图像的基础上，使用图像法计算孔隙率.结果表明：通过PS-PVD 设备制备出的热障涂层结晶度良好，空间点矩阵属于P/nmc （137），为四方结构，涂层平均平面孔隙率较大，为20.03%，具有良好的隔热性能.关键词：等离子喷涂-物理气相沉积（PS-PVD ）；热障涂层；制备；微观结构中图分类号：TQ153；TG174.4DOI ：10.16375/45-1395/t.2021.04.003收稿日期：2021-05-07基金项目：广东省重点领域研发计划项目（2019B010936001）；国家科技重大专项（2017-VI-0010-0081）；广东省自然科学基金项目（2020B1515020036）；广东省特支计划本土创新创业团队项目（2019BT02C629）；广州市重点领域研发项目（202007020008）资助.作者简介：徐静，在读硕士研究生.*通信作者：毛杰，博士，正高级工程师，研究方向：高温防护涂层，E-mail ：****************.第32卷第4期2021年12月广西科技大学学报JOURNAL OF GUANGXI UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGYVol.32No.4Dec.2021第32卷广西科技大学学报通过PS-PVD设备制备出的热障涂层拥有独特的羽毛柱状结构，由于存在孔隙，可使涂层的热导效率降低，有利于提高航空涡轮发动机涡轮叶片服役温度[8-10].现阶段，高质量的PS-PVD新型功能涂层作为涡轮发动机及其他燃气轮机中的隔热手段，研究人员对涂层的表征多集中于组织结构、力学性能、抗热震性能、抗腐蚀性能等方面；且热障涂层隔热性能评价大多依托于具体的隔热性能实验进行衡量，没有具体的物理量指标对隔热性能进行说明.基于此，本文使用PS-PVD设备，以YSZ粉末为原料制备热障涂层，利用X射线衍射仪（X-ray diffration，XRD）、扫描电子显微镜（scanning electron micro‐scope，SEM）对YSZ热障涂层的物相、微观结构进行表征，通过SEM获得二维图像，使用Image J软件图像法对热障涂层的截面孔隙率进行简单计算.1实验1.1实验仪器与喷涂材料1.1.1实验仪器鼓风干燥箱，等离子喷涂-物理气相沉积设备（PS-PVD，Sulzer Metco），X射线衍射仪，扫描电子显微镜（ZEISS）.1.1.2喷涂材料NiCrAlY（6μm~30μm，AMPERITTM997，Sulzer-Metco），YSZ（1μm~30μm，M6700，Sulzer Metco），不锈钢基体.1.2热障涂层制备实验前先将不锈钢基体（φ25.4mm×6mm）置于煤油或者汽油中进行超声波清洗，然后用酒精擦拭基体以去除基体表面的油渍.对清洗后的基体进行喷砂处理，使用46#刚玉砂，喷砂气压控制在0.4MPa~0.6MPa.使用如图1所示PS-PVD设备，在金属基体的表面制备120μm~140μm厚的NiCrAlY金属黏结层，经打磨抛光处理后，黏结层剩余厚度约60μm~80μm；在其表面再次进行喷砂处理，使用280#刚玉砂，喷砂气压在0.2MPa~0.4 MPa（2次喷砂是为了增加基体、黏结层、陶瓷层之间的结合强度，保护基体，防止氧化）.图1（网络版彩图）PS-PVD设备图使用PS-PVD设备，以经过鼓风干燥箱干燥8h~16h后呈团聚状态的YSZ粉末为原料，在金属基体的预制黏结层表面制备陶瓷层，PS-PVD的喷枪型号为O3CP.通过等离子火焰对不锈钢基体表面不断吹扫，将基体表面的预热温度控制在900℃左右.喷涂过程中对涂层进行适当补氧，以防止YSZ 涂层沉积过程中出现晶体失氧.YSZ热障涂层的喷涂制备工艺参数如表1所示.表1喷涂工艺参数制备出的YSZ热障涂层的宏观表现如图2所示，由图可知，涂层大部分为白色，一侧边缘部分有黄灰色.黄灰色部分是基体表面与喷枪之间的距离略有差异和吹扫轨迹变化所致，从而显现出Zr 自身的颜色，对沉积涂层没有影响.试片涂层没有鼓泡、裂纹、剥离等缺陷.图2（网络版彩图）YSZ热障涂层宏观样貌1.3材料的表征与测试用X射线衍射仪（Cu-Ka辐射，扫描范围为10°18第4期~90°，管电压、管电流分别为40kV和100mA，扫描速度为2θ=0.02°）观察制备好的YSZ热障涂层，并确定样品的晶体结构及微观晶体参数.通过扫描电子显微镜（加速电压为10kV）观察YSZ涂层的表面和截面形貌以及YSZ粉末的气化程度.使用Image J软件对YSZ热障涂层SEM获得的二维图像进行孔隙率计算与分析.2分析2.1XRD物相分析初始YSZ粉末主要由ZrO2的单斜相（m相）、四方相（t'相）和Y2O3构成.惰性气体离化时，除产生等离子、电子-离子复合物外，还释放大量热量.初始YSZ粉末在此热量作用下进行状态转变，即当温度达到930℃以上时，单斜相转变为四方相；温度升高至2300℃时，四方相转变成立方相；当喷涂过程结束后，温度随之降低，此时立方相转变为四方相，后者可以通过与Y2O3吸附的金属阳离子结合来稳定ZrO2相系.因此，热障涂层多以四方相亚稳态结构存在.图3为喷涂样品的XRD图谱，通过与四方相ZrO2标准PDF卡片对比，发现喷涂样品含有四方相（t'相），且衍射峰的位置、衍射峰强度分别相对应，即特征峰的位置为30.2°、35.0°、50.4°、59.8°、63.0°、73.8°、82.0°、84.5°；样品衍射峰清晰、尖锐、峰形较窄，说明材料的结晶度较好.通过本次实验得到了较为理想的含四方ZrO2相（t'相）的YSZ热障涂层，其详细晶格参数如表2所示.图3YSZ热障涂层的XRD图谱表2样品的晶格参数晶体结构四方空间结构P/nmc（137）a/Å3.6067b/Å3.6067c/Å5.1290由表2可知，所制备的YSZ热障涂层属于P/nmc（137）空间群，为四方结构，其平均晶格尺寸为a=b=3.6067Å、c=5.1290Å，这与文献[8]报道的晶体结构十分吻合.2.2微观结构分析图4—图5为YSZ热障涂层的SEM表面及截面形貌.图4的“菜花”状结构是PS-PVD制备的热障涂层典型特征结构.图5中，YSZ热障涂层呈现羽毛柱状晶结构，并且在柱状晶孔隙部分存在气相原子.由于喷枪与基体表面有一定的夹角，使得柱状晶的生长与基体表面有夹角，说明涂层羽毛柱状晶的生长与喷涂角度相关.同时，在SEM微观条件下，量取部分完整单根羽毛柱状晶的纵向长度平均值为217.98μm，柱状晶截面径向宽度为30.29μm.在喷涂500次的基础上，涂层的生长速率为0.436μm/次；整个喷涂过程持续约15min，涂层单位时间内的生长速率为14.532μm/min.在已知沉积速率的前提下，可以通过制备不同厚度的涂层以适应航空发动机涡轮机叶片的不同需求.图4YSZ热障涂层表面SEM照片图5YSZ热障涂层截面SEM照片徐静等：等离子喷涂-物理气相沉积YSZ热障涂层的制备及微观结构研究19第32卷广西科技大学学报2.3孔隙率计算与分析从严格意义上来说，孔隙率是孔隙的体积与总体积的比率，其数值范围在0~100%.材料孔隙率大小直接反应材料的密实程度，材料孔隙率高，表示密实程度小.一般来说，多孔材料因其内部有大量相互贯通的孔隙会直接影响材料的抗压、抗蚀等性能[11-12].在实验过程中，由于材料结构特殊，难以获得材料孔隙的体积，因此，常利用SEM的二维照片来计算材料的平面孔隙率大小.利用Image J软件计算截面多孔的热障涂层平均截面孔隙率.设置电镜照片的比例尺，将图像转变为8bit，利用矩形框选工具框选除比例尺以外的部分，经调整阈值，选中孔隙部分，如图6所示，红色部分为孔隙区域，经过Measure处理，自动显示出红色孔隙部分的面积数值.图6（网络版彩图）Image J处理SEM孔隙计算公式为：截面孔隙率=截面孔隙面积总面积×100%其中，总面积=像素×像素（像素单位：pixel）.经过多次框选不同孔隙区域计算平面孔隙率，求得平均截面孔隙率为20.03%.涂层中的孔隙区域可以直接等效为空气层，热障涂层中不同组元的热导率排序大小为：高温合金基体>金属黏结层>TGO层>YSZ陶瓷层>空气层，孔隙率大小可以直接影响热障涂层的热传导性能.一般来说，APS热障涂层的截面孔隙率在1%~5%，EB-PVD通过参数调控可以得到孔隙率为1%~10%的高质量涂层.通过PS-PVD制备出独特羽毛柱状结构的热障涂层，其孔隙率高于其他热障涂层，孔隙率较大也是PS-PVD涂层隔热性能优于其他涂层的一个主要原因，高孔隙率对隔热性能起着积极作用[13]，可以很好地抑制热量的传输，有效地降低热端部件的温度[14].对于热障涂层而言，孔隙率可以直接说明涂层热障性能，孔隙率较小，涂层的热导率较高；孔隙率较大，涂层的热导率较低.然而孔隙率并非越大越好，当孔隙率过大时，会加剧黏结层的腐蚀失效，热量直接通过黏结层传递给热端部件[15].考虑涂层的结合特性，兼顾热循环寿命与隔热性能，对PS-PVD设备进行合适的工艺参数调控来制备热障涂层.3结论本文使用PS-PVD设备制备出YSZ热障涂层，用XRD、SEM材料测试与分析手段对YSZ热障涂层的物相、微观结构进行分析，在SEM二维图像基础上，利用图像法，使用Image J软件对图片进行预处理以及调整阈值，经过计算获得YSZ热障涂层的截面孔隙率.通过分析发现：YSZ热障涂层的宏观样貌（即陶瓷颜色分布）与喷涂角度有关，这是由于基体与喷枪所成夹角造成了基体上方喷涂距离的差异.喷涂柱状结构在一定程度上与喷涂角度有关；同时通过SEM照片发现，喷涂角度的改变造成了独特羽毛柱状结构晶体倾斜生长.经过XRD 物相分析，本次实验中制备出的YSZ热障涂层均含四方ZrO2相（t'相），经计算涂层的截面平均孔隙率为20.03%，孔隙率大小适中，可作为提高航空涡轮发动机叶片服役温度的涂层.参考文献[1]张小锋，周克崧，刘敏，等.等离子喷涂-物理气相沉积7YSZ热障涂层形成机制[J].中国科学：技术科学，2019，49（11）：1319-1330.[2]CHEN W L，LIU M，ZHANG J F.Impedance analysisof7YSZ thermal barrier coatings during high-tempera‐ture oxidation[J].Journal of Thermal Spray Technology，2016，25（8）：1596-1603.[3]YANG J S，ZHAO H Y，ZHONG X H，et al.Thermalcycling behavior of quasi-columnar YSZ coatings depos‐ited by PS-PVD[J].Journal of Thermal Spray Technolo‐gy，2017，26（1-2）：132-139.[4]毛杰，马景涛，邓畅光，等.表面粗糙度对PS-PVDYSZ陶瓷层性能的影响[J].材料工程，2020，48（5）：144-150.[5]MAO J，DENG Z Q，LIU M，et al.Regional character‐istics of YSZ coating prepared by expandedAr/He/H 20第4期plasma jet at very low pressure[J].Surface&CoatingsTechnology，2017，328：240-247.[6]李荣久，邓畅光，胡永俊，等.等离子喷涂-物理气相沉积热障涂层的表征技术研究进展[J].表面技术，2020，49（11）：124-140.[7]邓子谦，刘敏，毛杰，等.等离子喷涂-物理气相沉积射流中粒子状态和分布[J].中国表面工程，2017，30（3）：81-88.[8]LIU M J，ZHANG M，ZHANG X F，et al.Transportand deposition behaviors of vapor coating materials inplasma spray-physical vapor deposition[J].Applied Sur‐face Science，2019，486：80-92.[9]GAO L H，WEI L L，GUO H B，et al.Deposition mech‐anisms of yttria-stabilized zirconia coatings during plas‐ma spray physical vapor deposition[J].Ceramics Interna‐tional，2016，42（4）：5530-5536.[10]MAREK G，TADEUSZ K，STAWOMIR K，et al.In‐fluence of deposition parameters on structure of TDCsdeposited by PS-PVD method[J].Solid State Phenomena，2015，227：369-372.[11]蒙坤林，黄小青，杨义，等.氧化石墨烯改善水泥材料抗蚀性的研究[J].广西科技大学学报，2019，30（2）：86-92.[12]解小娟，罗桂发，杨博兆，等.以铵盐类为发泡剂制备多孔陶粒试验[J].广西科技大学学报，2020，31（1）：65-70，91.[13]张啸，刘敏，张小锋，等.等离子喷涂-物理气相沉积高温防护涂层研究进展[J].中国表面工程，2018，31（5）：39-53.[14]杨玉娥，赵东，安延涛，等.微波检测热障涂层孔隙率的可行性研究[J].仪器仪表学报，2015，36（6）：1215-1220.[15]邱琳，郑兴华，李谦，等．陶瓷热障涂层的热导率和热扩散率测量[J].功能材料，2010，41（S2）：264-267．Preparation and microstructure of YSZ thermal barrier coatings byPS-PVDXU Jing1,2,MAO Jie*2,LIANG Xinghua1,DENG Ziqian2,DENG Chunming2,DENG Changguang2,LIU Min2(1.Guangxi Key Laboratory of Automobile Components and Vehicle Technology(Guangxi University ofTechnology),Liuzhou545006,China;2.Guangdong Academy of Science,Guangdong Institute of New Materials,National Engineering Laboratory for Modern Materials Surface Engineering Technology,The Key Lab of Guangdong for Modern Surface Engineering Technology,Guangzhou510650,China) Abstract:The combination of thermal barrier coating and cooling technology can greatly improve the service temperature of aero turbine engine blades,however,the plume-like plasma spray-physical vapor deposition(PS-PVD)thermal barrier coating has attracted much attention due to its low thermal conductivity,good strain tolerance and long thermal cycle life.By means of phase analysis,the surface and cross section morphology of thermal barrier coating were observed by scanning electron microscope,and the porosity was calculated by image method on the basis of SEM2D image.The results showed that the thermal barrier coating generated by PS-PVD equipment had good crystallinity, and the spatial point matrix belonged to P/nmc(137)with a tetragonal structure,and the average plane porosity of the coating was large,20.03%,which meant it had good thermal insulation performance.Key words:plasma spray-physical vapor deposition(PS-PVD);thermal barrier coating;preparation;microstructure（责任编辑：黎娅）徐静等：等离子喷涂-物理气相沉积YSZ热障涂层的制备及微观结构研究21。
等离子体喷涂厚热障涂层的研究进展
第49卷第6期 2021年6月硅 酸 盐 学 报Vol. 49，No. 6 June ，2021JOURNAL OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY DOI ：10.14062/j.issn.0454-5648.20200691等离子体喷涂厚热障涂层的研究进展陶诗倩1,3，李 伟3，杨加胜1,2, 陶顺衍1,2(1. 中国科学院上海硅酸盐研究所，中国科学院特种无机涂层重点实验室，上海 201899；2. 中国科学院大学材料与光电研究中心，北京 100049；3. 上海理工大学材料科学与工程学院，上海 200093)摘 要：厚热障涂层(TTBCs)具有良好的隔热性能，能够有效提高航机涡轮/燃机透平前的燃气入口温度。
等离子体喷涂工艺是制备TTBCs 的典型方法。
综述了等离子体喷涂TTBCs 的国内外研究现状，指出了TTBCs 所面临的挑战。
着重从单片层、涂层结构及性能等方面展开探讨，同时对其发展趋势进行了展望。
关键词：等离子体喷涂；厚热障涂层；微结构；服役性能中图分类号：TQ174.75 文献标志码：A 文章编号：0454–5648(2021)06–1195–11 网络出版时间：2021–04–06Research Progress on Plasma Sprayed Thick Thermal Barrier CoatingsTAO Shiqian 1,3, LI Wei 3, YANG Jiasheng 1,2, TAO Shunyan 1,2(1. Key Laboratory of Inorganic Coating Materials CAS, Shanghai Institute of Ceramics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201899, China;2. Materials and Optoelectronics Research Center, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;3. School of Materials Science and Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China )Abstract: Thick thermal barrier coatings (TTBC) have good thermal insulation properties and can effectively improve the gas inlet temperature before aero-engine turbine or gas turbine. Plasma spraying is a common method for preparing TTBCs. This paper reviewed recent research work on plasma sprayed TTBCs, and pointed out the challenges for TTBCs. The splat effect, the structure and properties of coatings were emphatically discussed. In addition, the future development was also prospected.Keywords: plasma spraying; thick thermal barrier coatings; microstructure; service performance随着航空发动机以及工业燃气轮机燃机效率和性能的不断提升，发动机涡轮或燃机透平前的燃气入口温度不断攀升，最高温度已超过1 700 ℃，远远超过当前用于制备涡轮叶片等热端部件的镍基单晶高温合金的最高使用温度(不超过1 150 ℃)，致使热端部件承受了越来越苛刻的高温富氧燃气的热–力耦合作用[1–4]。
等离子喷涂液相溶胶制备纳米ZrO2涂层的结构
０ 引言
纳米 材 料 具 有 特 殊 的力 学 、 学 、 学 、 学 热 光 化 性 质和 磁性 ｆ １ ］ 。纳米 氧 化锆 涂层 导 热 系数 低 、 硬度
等离子喷涂具有高温和急聚冷却两个极端条
件 ， 料在 等 离子 火 焰 中驻 留时 间极 短 ， 生成 的 原 所
高 、 高温氧化 、 抗 抗高温腐蚀及抗热震性能好嘲 氧 ，
．
Ｋｅ ｗｏ ｄ ：ｐ ａ ｍａ ｓ ｒ ｙ ｏ； ｃ ｏ ｔ ｃ ｕ ｅ ｌ ｎ — ｏ ｔ ｇ ｙ ｒｓ ｌ ｓ ｐ ａ ；ｓ ｌ ｍｉｒ ｓｒ ｔ ｒ ； ｌ ｏ— ａ ｉ ｓ ｕ ａ ｃ ｎ
2.1 热障涂层的微观形貌和组织结构
2.1 热障涂层的微观形貌和组织结构
热障涂层（Thermal Barrier Coatings，TBCs）是一种表面涂层，用于保护高温工作部件免受极端温度的损伤。
其组成由一层陶瓷（通常是氧化铝或氧化锆）热障层和一层金属粘结层组成。
热障涂层的微观形貌和组织结构有着重要影响其热障性能和耐热性能。
在常规的制备中，热障涂层是由高速喷涂或光电沉积等方法制备而成。
在高速喷涂过程中，涂层颗粒在高速气流的冲击下被压缩和变形，形成一种带有多孔的结构。
这种多孔结构对于阻止高温气体的热传递很有帮助。
而在光电沉积过程中，运用高热扩散强度和化学反应力，在衬底均匀上生长出极细的晶体颗粒。
这种均匀结构使热障涂层易于形成连续的隔热层。
结构上，热障涂层最常见的组织是塔夫伊特结构，由不同晶相的氧化铝或氧化锆层交错组成。
在这种结构中，负责陶瓷层能力的主要是氧化铝或氧化锆的晶相稳定性。
而金属粘结层主要由镍、钴等金属制成，与瓷层完全合并。
这种粘结层有很强的粘结力和延展性，可提高涂层的减振和隔热性能。
总之，对于热障涂层的微观形貌和组织结构的研究，可以为涂层材料的制备和优化提供更为丰富的信息，为涂层的工程应用提供更为可靠的支持。
热障涂层的制备工艺及研究进展
热障涂层的制备工艺及研究进展杨宏波;刘朝辉;丁逸栋;罗火东;余文威【摘要】The technologies for preparation of thermal barrier coatings (TBCs) were reviewed,including plasma spraying (PS),electron beam physical vapor deposition (EB-PVD),flame spraying,electric arc spraying,laser induction hybrid rapid cladding,self-propagating high temperature synthesis (SHS) and suspension plasma spraying (SPS).Their research progress were introduced from the aspect of ceramic top layer and metal bonding layer.The future research directions of new generation ultra-high temperature TBCs was forecasted.%综述了等离子喷涂(PS)、电子束物理气相沉积(EB-PVD)、火焰喷涂、电弧喷涂、激光熔覆、自蔓延高温合成(SHS)、悬浮等离子喷涂(SPS)等制备热障涂层(TBCs)的工艺,介绍了陶瓷面层和金属黏结层这2个方面的研究进展.展望了新一代超高温热障涂层的研究方向.【期刊名称】《电镀与涂饰》【年(卷),期】2017(036)014【总页数】6页(P786-791)【关键词】热障涂层;陶瓷层;金属黏结层;制备;综述【作者】杨宏波;刘朝辉;丁逸栋;罗火东;余文威【作者单位】中国人民解放军后勤工程学院化学与材料工程系,重庆401311;中国人民解放军后勤工程学院化学与材料工程系,重庆401311;中国人民解放军后勤工程学院化学与材料工程系,重庆401311;73501部队,福建漳州 363400;73501部队,福建漳州 363400【正文语种】中文【中图分类】TG174随着现代科学技术的迅猛发展和施工工艺不断改进，很多部件对材料的高温工作性能提出了更高的要求。
CMAS沉积物对等离子喷涂纳米热障涂层组织结构及力学性能影响
··沉积物对等离子喷涂纳米热障涂层孙友贝，李定俊，范华，邓力文(东方汽轮机有限公司，四川德阳，618000)摘要：采用扫描电子显微镜（SEM ）、X 射线衍射（XRD ）以及纳米压痕等方法研究了在1250℃下经不同热处理时间后CaO-MgO-Al 2O 3-SiO 2（CMAS ）对纳米YSZ 热障涂层组织结构及力学性能的影响。
结果表明，不同热处理时间后CMAS 渗入区均分为反应层和致密层。
其中，反应层中的四方相ZrO 2转变为单斜相ZrO 2，从4h 到40h ，反应层和致密层的硬度增量分别约为14.3%和16.1%，弹性模量分别约为8.0%和9.1%，硬度和弹性模量大小均依次为：致密层>反应层>未涂CMAS 的涂层。
关键词：纳米热障涂层，CMAS ，组织结构，力学性能，纳米压痕中图分类号：TG174文献标识码：A文章编号：1674-9987（2019）01-0058-06Effect of CMAS Deposits on Microstructure and MechanicalProperties of Plasma-sprayed Nanostructured YttriaStabilized Zirconia CoatingsSun Youbei ，Li Dingjun ，Fan Hua ，Deng Liwen（Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）Abstract ：Microstructure and mechanical properties of nanostructured yttria stabilized zirconia （YSZ ）thermal barrier coatings with calcium-magnesium-alumina-silicate （CMAS ）deposits are investigated by SEM,XRD and nanoindentation at 1250℃after differ -ent heat treatment times.It is found that the CMAS penetrated region can be divided into two layers,interaction layer and dense layer.Phase transformation of metastable tetragonal zirconia to monoclinic zirconia occurred in the interaction layer.From 4h to 40h,Hardness increments for interaction layer and dense layer are about 14.3%and 16.1%respectively,and modulus increment is about 8.0%and 9.1%respectively.The ranks of hardness and modulus in descending order are dense layer,interaction layer,and coating without CMAS deposit.Key words ：nanostructured YSZ,CMAS,microstructure,mechanical properties,nanoindentation作者简介：孙友贝（1987-），男，硕士，工程师，毕业于北京航空航天大学，从事热喷涂技术研究工作。
等离子喷涂Al2O3陶瓷涂层的研究
江
苏
陶
瓷
Ｖｏ １ ． ４ ６ ， Ｎｏ ． ３
Ｊ ｉ ａ ｎ ｇ ｓ ｕ Ｃ ｅ ｒ ａ ｍｉ ｃ ｓ
Ｊ ｕ ｎ ｅ ， ２ ０ １ ３
１ ３
等 离子喷涂 Ａ Ｉ ２ ０３ 陶瓷涂层 的研究
张艾 丽 米有 军 曹毅 轩 杨 尚权
关 键 词 等 离 子 喷 涂 ； Ａ １ ２ ０ ３ 陶瓷 涂 层 ； Ｔ ｉ Ｏ ： ； 工 艺 参 数
等 离 子 喷 涂 技 术 是 继 火焰 喷涂 之 后 大 力 发 展 起 来 的 ～ 种
新型多用途的精密喷涂方法 ， 是 一 项 重 要 的表 面 处 理 技 术 ． 涂
部剥离、 脱 落 是 失效 的 主要 原 因 。 （ ３ ） 采用 Ａ Ｎ Ｓ Ｙ Ｓ有 限 元 分 析 软 件 对 等 离 子 喷 涂 Ａ １ ２ ０ 陶
性最好 。
（ ２ ） 为研究等离子 喷涂 Ａ ｈ Ｏ 陶瓷 涂 层 的 抗 热 震 性 能 。 对 不 同结构的涂层进行 了 ６ ０ ０℃环 境 下 的 热 震 实 验 ， 并分析 、 探 讨 了 涂 层 的 热 震 失 效 机 制 。利 用 扫 描 电镜 ｆ Ｓ Ｅ Ｍ） 、拉 曼 光 谱 等 试 验 手 段 研 究 了 热 障 涂 层 热 震 失 效 的 过 程 及 残 余 应 力 大小 和分 布状 态 ，涂 层 热 震 失 效 的本 质 为 热 循 环 应 力作 用 下 的疲 劳失 效 ．其 失 效 过 程 主 要 是 裂 纹 形 成 、扩 展 及 涂 层 剥 落 。结 果 表 明 ， 在 陶 瓷工 作 层 与 基 体 间 增 加 Ｆ ｅ Ｃ ｒ Ａ １ 或 金 属 过 渡层 可 有 效地 减 缓 涂 层 内 的热 应 力 ． 阻碍 涂 层 内裂 纹 的 形 成及扩展 ， 从 而 提 高涂 层 的 抗 热 震 性 能 。Ａ ｌ ｚ Ｏ 陶瓷 涂 层 低 温
纳米掺杂Al2O3／ZrO2等离子喷涂热障涂层组织结构研究
摘要
利用大气等 离子 喷涂技 术， Ｎ８ 在 ０钢基体上制备 纳米掺 杂 １ （ ５ 质量分数 ） ｚ ｓ ＺＯ Ａ１ ／ ｒ ２热 障涂 层。利 Ｏ
用 Ｘ射线衍射 （ Ⅺ ）扫描 电镜（ Ｅ 等观察分析 了纳米掺 杂 Ａｌ ３ ｚ 粉末及 等 离子喷涂涂层 的组织形貌及 结 、 Ｓ Ｍ） ｚ ／ｒ ０ 构。结果表明 ， ｚ ３Ｚ Ｏ 等 离子喷涂粉末是 由表 面被 纳米球 团粒子 包覆 的微 米级 粒子 构成。粉末材 料主要 由 旷 Ａｌ － ｒ ￣ ０ Ａｌ 及 稳 定 的 四 方相 ｔ ｒ 相 及 少量 的 （ ５ ） 斜 相 ｍ－ ｒ ｚ组 成 。 纳 米掺 杂 等 离子 喷 涂 Ａｌ ／ 涂 层 的微 ２ ０３ － Ｏ２ Ｚ 约 单 ＺＯ ２ Ｚ ０３ 观组 织形貌复杂 ， 存在 着纳米柱状晶薄壳 内包裹着微 米级柱状 晶、 未熔化 的 ＺＯｚ陶瓷粒 子嵌 镶在 晶体 内部 的独特 晶 ｒ
・
１０ ・ ６
材料 导报
２ ０ 年 ８月第 ２ 卷 专辑 Ⅺ ０８ ２
纳米 掺杂 Ａｌ ／ ｒ 等 离 子喷 涂热 障涂 层 组 织结构 研 究 ２ ｏ３ ｚ ｏ２
李学艺 ， 李春福 宋开红 罗平亚 ， ，
（ 西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重 点实验室 ， １ 成都 ６０ ０ ； １５ ０
Ｓ ａｅ ｐｒ ｙ ｄ Ｔｈｅ ｍ ａ ｒ ｉｒ Ｃｏ ｔｎ ｒ ｌＢａ ｒｅ ａ ｉ ｇ
ＬＩＸｕ ｙ ，ＬＩＣｈ ｎ ｕ ，Ｓ ｅｉ ｕ ｆ ＯＮＧ ｉｏ ｇ ，ＬＵＯ ｎ ｙ Ｋａｈ ｎ Ｐｉｇ ａ
（ Ｓ ａ ｅ Ｋｅ ａ ｏ ａ ｏ ｙ ｏ ｌａ ｄ Ｇａ ｓ ｒ ｏ ｒＧｅ ｌ ｇ ｎ ｐ ｏ ｔ ｔ ｎ ｏ ｔ ｗｅ ｔＰｅ ｒ ｌｕ Ｕｎ ｖ ｒ ｉ １ ｔ ｔ ｙ Ｌ ｂ ｒ ｔ ｒ ｆＯｉ ｎ ｓ Ｒｅ ｅ ｖ ｉ ｏ ｏ ｙ ａ ｄ Ｅｘ ｌ ｉ ｉ ，Ｓ ｕ ｈ ｓ ｔｏ ｅ ｍ ｉ ｅ ｓｔ ａｏ ｙ，
热障涂层材料的研究和发展
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。
等离子喷涂Sc2O3-Y2O3-ZrO2热障涂层组织结构和性能研究
等离子喷涂Sc2O3-Y2O3-ZrO2热障涂层组织结构和性能研究李其连;刘怀菲【摘要】采用化学共沉淀—煅烧法制备了7.1mol％Sc2O3～1.5mol％Y2O3-ZrO2(ScYSZ)设计成分复合陶瓷原粉,将该原粉经团聚造粒和高温烧结处理,使粉末流动性及松装密度满足等离子喷涂工艺要求.经大气等离子喷涂制备了超高温热障涂层.采用场发射扫描电子显微镜、X-射线衍射对粉末组织结构、形貌进行了测试,并进行了涂层组织结构、高温相稳定性、隔热性能、热冲击性能及抗氧化性能进行了测试分析.结果表明所制备的ScYSZ团聚粉末在1200℃烧结处理2h后,粉末呈球形、流动性好,满足等离子喷涂工艺要求.ScYSZ粉末及其涂层室温均呈单一四方结构,1500℃热处理300h后,ScYSZ涂层无单斜相出现,具有非常优秀的高温相稳定性.在900℃～1500℃温度测量范围内,等离子喷涂ScYSZ涂层的热导率为0.93～1.19W/m·K,明显低于目前广泛应用的等离子喷涂Y2O3-ZrO2涂层的热导率(1.2 ～1.5W/m·K).Sc2O3的加入在提高了热障涂层的高温相稳定性的同时,也显著提高了涂层的隔热性能及抗热冲击性能,Sc2O3-Y2O3-ZrO2很有希望成为1500℃使用的超高温热障涂层材料.【期刊名称】《热喷涂技术》【年(卷),期】2016(008)001【总页数】8页(P17-24)【关键词】热障涂层;化学共沉淀;氧化钪氧化钇复合稳定氧化锆;组织结构;相稳定性;热导率;热冲击性能【作者】李其连;刘怀菲【作者单位】北京航空制造工程研究所高能束流加工技术重点实验室,北京100024;中南大学粉末冶金国家重点实验室,长沙410083【正文语种】中文【中图分类】TG174.4热障涂层（TBCs）为先进燃气涡轮发动机热端部件关键防护涂层。
以推重比10一级航空发动机为例，其涡轮前进口温度1600℃以上，推重比12～15一级航空发动机的涡轮前进口温度为1700℃以上，而推重比15～20一级航空发动机的涡轮前进口温度更高，将达到1900℃以上。
ZrO2热障涂层耐高温冲刷性能研究
ZrO2热障涂层耐高温冲刷性能研究
简中华;王富耻;曹素红
【期刊名称】《新技术新工艺》
【年(卷),期】2006(000)007
【摘要】采用等离子喷涂工艺制备了NiCoCrAlY/ZrO2热障涂层,利用超音速火焰喷涂(HVOF)ZrO2粒子高速冲刷涂层表面,考察ZrO2热障涂层的耐高温冲刷性能.结果表明,等离子喷涂NiCoCrAlY/ZrO2热障涂层具有较好的耐高温冲刷性能,经高温高速粒子冲刷20 s后,涂层与基体结合良好,涂层完整,未出现大面积的剥落.等离子喷涂ZrO2热障涂层高温冲刷的主要磨损机理为脉动冲击作用造成的裂纹扩展、涂层颗粒变形磨损和微切削.涂层的耐高温冲刷性能主要取决于涂层的硬度.
【总页数】3页(P66-68)
【作者】简中华;王富耻;曹素红
【作者单位】北京理工大学,材料科学与工程学院,北京,10008;北京理工大学,材料科学与工程学院,北京,10008;北京理工大学,材料科学与工程学院,北京,10008【正文语种】中文
【中图分类】TG4
【相关文献】
1.CeO2/Y2O3-ZrO2纳米结构热障涂层r的抗烧结性能研究 [J], 李任伟;黄飞
2.等离子喷涂Sc2O3-Y2O3-ZrO2热障涂层组织结构和性能研究 [J], 李其连;刘怀菲
3.等离子喷涂纳米ZrO2热障涂层的组织及性能研究 [J], 彭瑾;孙有田
4.等离子喷涂ZrO2-8％Y2O3热障涂层的组织与性能研究 [J], 钟颖虹;陆辛;计亚平;冯泽舟;王林;冯艳玲;于浩;李飞
5.多元掺杂ZrO2热障涂层的相稳定机制研究及性能调控 [J], 本刊编辑部
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等离子喷涂纳米Al2O3-TiO2陶瓷涂层研究综述
构疏 松 多 孔 ［ 。另 外 一 种 将 纳 米 粉 末 经 过 造 粒 】 ］ 重构 至 可 喷 涂粒 径 的 大 颗 粒 团 聚 体 。常 用 的 造 粒方 法 包 括 一般 造 粒 法 、 压 造 粒 法 、 雾 干燥 加 喷
收稿 日期 ： ０ ６—０ —０ ２０ ９ ６
含量、 粘结 剂 及 其 含 量 。重 构 后 喂料 颗 粒 表 面 光 滑 ， 动 性 好 ， 密 度 高 ， 仍 保 留 １ ～ ２ 气 流 致 但 ０ ０
孔 。罂 长 生 等［ 也 就 影 响 喷 雾 照 例 Ａｌｏ。ｎ ｎ ３ ］ ／ａｏ
—
１ 纳米结构 喂料制备
纳 米 粉 末质 量 过 轻 ， 等 离 子 射 流 中容 易 被 在 吹散 无 法 沉 积 到 基 底 上 ， 使 少 量 纳 米 粉 末 能 即
得 到 广 泛 采用 。 虽 然 喷雾 干 燥 已经 是 一 门 相 当成 熟 的 工 艺 ，
性 能 。 目前 ， 随生 产 纳 米 粉末 的方 法 实 现 了 工 业
化， 纳米 材料 研究 的重 点 正 从 粉 末 合 成 向以 粉末
为 基 的涂 层 或体 结 构 材 料 的 制备 转 变 ， 在 应 用 潜 涉 及各个 领 域 。大 量 的 研 究 表 明 ， 纳 米 结 构 粉 以 末 为原料 经各 种 热喷 涂技 术制 备 的纳米 结 构涂层 表 现 出极 其 优异 的性 能 ， 为新 材 料 工 程 领 域 的 成 研 究热 点 之 一 。等 离 子 喷 涂 纳 米 结 构 ＡｌＯ。 一 Ｔｉ。 Ｏ 涂层 与对应 的常 规涂 层 相 比 ， 合 强 度 增 加 结 １ ０ ， 粒 磨 损 抗 力 提 高 ３０ ， 曲 和 杯 突试 ０ 磨 ０ 弯 验 表现 的剥 落抗 力要 高得 多 。作 者就等 离 子喷 涂
等离子喷涂梯度热障陶瓷二氧化锆显微结构及特征研究
及使用寿命不但取决于表面二氧化锆热障涂层的抗
热震性 、抗 各种 介质腐 蚀性 及 隔热性能 ，而且取 决 于金属粘接层 的抗氧 化性 、抗 腐蚀性 以及粘 接层／ 基 体和热 障陶瓷 之间 的结 合 强度 。利用等 离子喷涂 工
维普资讯
第３卷第３ ｌ 期 ２ ０ 年９ ０ ８ 月
长 春 理 工大 学 学 报 （ 自然 科 学版 ）
Ｊｕｎ ｌ ｆ ｈｎ ｃｕ ｉ ｒｉ ｆ ｃ ｎｅａｄＴ ｃｎ ｌ ｙ Ｎａ ￣ｌ ｃ ｎｅ ｄｔ ｎ） ｏ ｒａ ｏ Ｃ ａｇｈｎＵｎｖ ｓｙｏ Ｓ ｉ ｃ ｅｈ ｏｏ ｛ ｍ ｉ ｃ ｉｏ ｅ ｔ ｅ ｎ ｇ Ｓｅ Ｅ ｉ
采用等离子喷涂技术 ，在铝合金基体上制备梯
度二氧 化锆热 障 陶瓷 涂层过 程 中 ，热 障涂层 的性 能
实验用 基体 材料 为铝合 金 ，喷涂试 样 为 １０ ０
ｍｍ ３ ｍ 的圆柱体 ，在圆柱端上进行喷涂 。金属 ｘ０ ｍ
粘接层 主要 是金属 ＮｉＮｉｏ ｒ Ｙ五元 合金 。 、 Ｃ ＣＡＩ
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｔｈ ｉｃ ｎ ａｃ ｒ ｍｉ ｒ ｄ ｅ ｔｈ ｒ ｌ ａ ｒｅ ｓｆｂ ｉ ａｅ ｔ ｕ ｅｎ ｃ ｅ ｓ ｈ ｏ ｄ ｎ ｙ ｒ Ｉ ｉ ｏ ｓ ｒ ｅ ｓｒ ｃ ： ｅｚｒ ｏ ｉ ｅ ａ ｃｇ ａ ｉｎ ｅ ｍａ ｂ ｒｉｒ ｔ ｗａ ａ ｒ ｔ ｄｗｉ ｐ ｒ ｉ ｋ ｌ ｅｂ ｎ ｉ ｇ ｌ ｅ． ｔ ｓ ｂ ｅ ｖ ｄ ｃ ｈ ａｔ ａ ｔ ａ ｅｅｗａ ｂ ｉ ｕ ｏ ｎ ａ ｙｂ ｔ ｅ ｈ ｔｒａ ｅｏ ａ ｕ ｎ ｍ ｕ ｓｒ ｔ ｎ ｅｎ ｃ ｅ ｃ ｍｅ ｔｔｏ ｏ ｔ ｇ Ｔ ｅ ｅｗａ ｈ ｔ ｈ ｒ ｓｏ ｖ ｏ ｓｂ ｕ ｄ ｒ ｅｗｅ ｎｔ ｅｉ ｅ ｆ ｃ ｆ ｌ ｍｉ ｕ ｓ ｂ ｔａｅａ ｄ ｔ ｉｋ ｌ ｅ ｎ ａｉ ｎ ｃ ａ ｉ ． ｈ ｒ ｓ ｔ ｎ ｈ ｎ ｕ ・ ｏ ｌｔ ｌ ｅｔ ｄｐ ｒｉｌ ｔ ｈ ａ ｔｒ ｆ ｈ ｉ ｄｎ ｙ ｒ Ｉ ｅ ｈ ｂｔ ｄｆ ｓ ｄ ｓａｅｂ ｔ ｅ ｎ ｔ ｅｉ ｔｒａ ｅｅｅ ｔｏ ｌ ｔ ｇ ｎ ｃ ｍｐ ｅ ｅｙｍ ｌ ａｔ ｅａ ｅｆ ｃｕ ｅｏ ｔ ｅ ｎ ｉ ｇ ｌ ｅ ． ｔ ｘ ｉ ｉ ｅ ｔｔ ｅ ｅ ｅ ｆ ｃ ｌｃｒ ｐ ａｉ ｅ ｃ ｔ ｒ ｂ ａ ｅ ｕ ｗ ｈ ｎ ｎ ｎ ｃ ｅ ａ ｄ ｍｕ ｔ ｃ ｍｐ ｓ ｉ ｎ ａｌ ｙ Ｔｈ ｓ ｄ ｄ ｏ ｓｗａ ｌ ｄ ｃ ｍｐ ｅｅｙ ａ ｄ ｔ ｅｐ ｃ ｉ ｇ ｓ ｔ ｎ ｌｙ ｒ ｔｕ ｔ ｒ ． ｈ ｉｋ ｌ ｌ ｏ ｏ ｉ ｏ ｌ ． ｅ ｆ ｅ ｒ ｐ ｓｍｅｔ ｏ ｎ ｉ ｔ ｏ ｕ ｅ ｌｔｌ ａ ｋ ｎ ｔ ｅ ｉ ｉ ｅ ｒ ｃｕ ｅ Ｔ ｅ ｎ ｈ ａ ｓ ａ ｓ ａ ｉ ｔ ｆ ｈ ｍ ｍｌ ｈ ｃ ｓｓａ ｃ ｓ ｎ ａ ｃ ｄ ｇ ｅ ｔ ｏ ａ ｉｕ ｏ ｏ ｉ ｏ ｓｏ Ｚｒ ｅ ａ ｃ ． ｂｌｙｏ ｔ ｃ ｉ ｏ ｋ ｒ ｉ ｎ ｅｗａ ｈ ｅ ｒ ａ ｌ ｆ ｒ ｒｏ ｓ ｍｐ ｓ ｉ ｎ ｆ Ｏ２ ｃ ｒ ｍｉｓ ｓ ｅ ｔ ｅ ｎ ｙ ｖ ｃ ｔ Ｋｅ ｒ ｓ ｙ ｗｏ ｄ ：ｐ ａ ｍａ ｓ ｒｙ ｎ ； ｇ ａ ｉｎ ；ｔ ｅｍａ ａ ｉｒ ｌｓ ； ｐ ａ ｉ ｇ ｒｄｅ ｔ ｈ ｒ ｌ ｒ ｅ ｂ
热障涂层TGO生长机制与涂层失效机制的研究
河北工业大学硕士学位论文i 热障涂层TGO 生长机制与涂层失效机制的研究摘 要本文应用了国际先进的等离子喷涂（APS）设备、国内先进的超音速火焰喷涂设备以及超音速冷气喷射陶瓷颗粒轰击金属过渡层表面工艺制备热障涂层。
依据航空标准制定了高温氧化试验与热震试验方案，利用SEM、XRD 及EDS 等检测手段系统、深入、完善地分析了热障涂层惹生长氧化层TGO 的生长过程，明确揭示了TGO 的生长机制；同时，细致分析了热障涂层的失效过程，并结合TGO 的生长过程与生长机制研究了导致热障涂层失效的影响因素。
为更加深入的研究热障涂层实际服役条件下热生长氧化以及涂层的失效现象打下坚实的基础。
结果表明：金属过渡层的氧化在界面反应机制与元素扩散机制的双重作用下，生成了具有双层结构的热生长氧化层（TGO）。
氧化初期受界面反应机制控制，迅速生成了由Al 2O 3、NiO、尖晶石类氧化物构成的混合氧化物层；而在氧化后期，以界面元素扩散为主导机制下，Al 元素缓慢扩散到界面处氧化生成单一的Al 2O 3层，同时在金属过渡层表面以下形成了一层极薄的贫Al 带。
超音速火焰喷涂以及超音速冷气喷射陶瓷颗粒轰击金属过渡层表面工艺的应用有效改善了热障涂层金属过渡层的表面形貌，抑制了氧化过程中有害氧化物的产生，减少了原始形态与实际应用过程中缺陷的产生，有利于提高热障涂层的使用寿命。
在热障涂层由微裂纹的产生长大，到扩展贯通，再到剥离脱落的整个失效过程中，界面缺陷、界面元素的扩散、Al 2O 3的相变收缩产生的孔洞以及硬脆相尖晶石类氧化物在应力作用下导致的微裂纹，在热障涂层实际应用的环境中都将成为导致涂层最终失效的影响因素。
关键词：热障涂层，等离子喷涂，超音速火焰喷涂，惹生长氧化层，生长机制，失效机制原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。
除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。
等离子喷涂YSZ_热障涂层的工艺研究
第53卷第7期表面技术2024年4月SURFACE TECHNOLOGY·217·等离子喷涂YSZ热障涂层的工艺研究李荣斌1,2，邢悦1，张志玺2，何峰1（1.上海理工大学 材料与化学学院，上海 200093；2.上海电机学院 材料学院，上海 201306）摘要：目的优化大气等离子喷涂工艺，提高热障涂层的耐腐蚀性能与热循环寿命。
方法设计正交试验，制备出不同工艺参数的YSZ涂层。
用共聚焦显微镜、X射线衍射仪、能谱分析仪对涂层的表面粗糙度、表面与截面形貌、元素组成与分布进行表征，用Image J软件分析涂层的孔隙。
根据试验数据优化工艺参数，对比分析工艺优化前后涂层的耐腐蚀性与热循环寿命。
对涂层进行热震水淬试验，分析涂层的热震寿命与失效行为。
结果不同工艺下制备的涂层在孔隙、耐熔盐腐蚀与热循环寿命方面存在明显差异，工艺参数W3X3Y1Z3组合为优化出的喷涂工艺。
采用优化后工艺所制备的涂层TBC-1，孔隙率为9.65%，平均孔隙尺寸为6.18 μm2，未观察到明显的大孔与裂纹。
涂层表面粗糙度为3.48 μm，粉末熔化状态较好。
热腐蚀之后，涂层截面熔盐元素V的质量分数为2.03%，无熔盐积聚现象。
涂层经20次热腐蚀与热冲击联合试验后，质量损失率为0.25%，表面完整，无明显剥落。
TBC-1在热震试验中的失效形式为涂层大面积剥落，失效次数为172次。
结论等离子喷涂的工艺参数对涂层的综合性能有重要影响，涂层中较大的裂纹和孔隙可作为熔盐的渗透途径，加速涂层的腐蚀，同时使热循环寿命变差。
经优化后工艺制备的涂层，内部孔隙分布均匀，且平均孔隙尺寸较小，表现出良好的耐腐蚀性与热循环寿命。
涂层中热生长氧化物（TGO）的生长应力、陶瓷层与黏结层的热失配应力是涂层中裂纹扩展和涂层失效的重要原因。
关键词：等离子喷涂；YSZ热障涂层；工艺优化；孔隙；热腐蚀；热循环寿命中图分类号：TG174.4 文献标志码：A 文章编号：1001-3660(2024)07-0217-13DOI：10.16490/ki.issn.1001-3660.2024.07.023Plasma Spraying Process of YSZ Thermal Barrier CoatingsLI Rongbin1,2, XING Yue1, ZHANG Zhixi2, HE Feng1(1. School of Materials and Chemistry, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China;2. School of Materials, Shanghai Dianji University, Shanghai 201306, China)ABSTRACT: To enhance the corrosion resistance and thermal cycling life of thermal barrier coatings (TBCs), the optimization of atmospheric plasma spray (APS) processes has emerged as a pivotal research direction. Given the complexity of factors affecting coating quality, this study examined four primary spray parameters: current, main gas flow rate, powder feed rate, and spray distance. Each parameter was set at three distinct levels. Using an orthogonal experimental design, nine YSZ coatings with differing processes were fabricated. A mixed salt of Na2SO4 and V2O5 (with a 1∶1 mass ratio) was applied to the coating surface at 15 g/cm2, after which the samples were placed in a muffle furnace set at 900 ℃for 6 hours of corrosion. To simulate收稿日期：2023-06-12；修订日期：2023-10-30Received：2023-06-12；Revised：2023-10-30基金项目：上海市工业强基专项（GYQJ-2023-1-06）；上海大件热制造工程技术研究中心项目（18DZ2253400）Fund：Shanghai Industry Strong Base Project (GYQJ-2023-1-06); Shanghai Engineering Research Center of Hot Manufacturing (18DZ2253400)引文格式：李荣斌, 邢悦, 张志玺, 等. 等离子喷涂YSZ热障涂层的工艺研究[J]. 表面技术, 2024, 53(7): 217-229.LI Rongbin, XING Yue, ZHANG Zhixi, et al. Plasma Spraying Process of YSZ Thermal Barrier Coatings[J]. Surface Technology, 2024, 53(7):·218·表面技术 2024年4月the real-world operational environment of TBCs, the post-corrosion samples were cooled to room temperature and then placed ina heat-treatment furnace at 1 150 ℃. The samples were quenched in water every 10 minutes. The surface changes in the coatingafter 20 cycles were observed. The surface roughness, morphology (both surface and cross section), and elemental composition and distribution of the coating were characterized by confocal microscopy, X-ray diffraction (XRD), and energy dispersive spectroscopy (EDS). ImageJ software was employed to analyze the pore size and distribution of the coating. The combined metrics of the coating's porosity and the mass loss rate post combined thermal corrosion and shock tests were utilized as evaluative parameters for the coating's overall performance. The range analysis method was adopted to transform multiple parameter indicators into a single criterion for process optimization. A comparative analysis was conducted between the coating from the optimized process and the nine coatings from the orthogonal tests. The optimized coatings were placed in a muffle furnace set at 1 150 ℃, with each 5-minute hold followed by quenching in water, counting as one cycle. The number of thermal shock failures was recorded, and the failure behavior of the coating was analyzed. Results revealed evident disparities in porosity, molten salt corrosion, and thermal cycle life for coatings prepared under different processes. The range analysis method identified the W3X3Y1Z3 parameter combination as the optimized spray process. For the TBC-1 coating prepared through the orthogonal experiment-optimized process, the porosity stood at 9.65%, with an average pore size of 6.18 μm2. No obvious large pores or cracks were observed. The coating's surface roughness was 3.48 μm, and the powder exhibited a satisfactory melting condition. For post thermal corrosion, the cross-sectional content of the molten salt element V in the coating was 2.03%, with no signs of salt accumulation. After 20 combined thermal corrosion and shock tests, the coating's mass loss rate was only 0.25%, maintaining an intact surface without noticeable spalling. The failure mode of the optimized coating in thermal shock tests was extensive coating delamination, with a failure occurrence at 172 cycles. In conclusion, APS process parameters significantly influence the comprehensive performance of coatings. Larger cracks and pores in the coating can serve as pathways for molten salt permeation, accelerating coating corrosion and diminishing thermal cycling life. Coatings prepared after process optimization, with uniform internal pore distribution and smaller average pore sizes, exhibit superior corrosion resistance and thermal cycling life. The growth stress of the thermally grown oxide (TGO) and the thermal mismatch stress between the ceramic and bond coat layers are crucial factors contributing to crack propagation and coating failure.KEY WORDS: plasma spraying; YSZ thermal barrier coating; process optimization; pore; hot corrosion; thermal cycle life热障涂层是利用陶瓷涂层来保护金属基底，在汽车和大型火力发电等方面有重大的应用价值[1-2]。
Y_2O_3和CeO_2复合掺杂ZrO_2纳米晶的制备与表征_庞松
Y2O3和CeO2复合掺杂ZrO2纳米晶的制备与表征Ξ庞 松,侯书恩3,张 涛,刘贺年(中国地质大学(武汉)材料科学与化学工程学院,湖北武汉430074)摘要:以ZrOCl2・8H2O,Y2O3,Ce(NO3)3・5.5H2O为原料,NH3・H2O作沉淀剂,少量表面活性剂PE作分散剂,采用反向共沉淀2喷雾干燥法,结合物理、化学分散技术,成功地制备了Y2O3,CeO2复合掺杂ZrO2纳米粉末。
通过DSC2TG,XRD,XPS,BET和SEM等方法对所制得粉末进行了表征。
结果表明:以Ce0.1Y0.1Zr0.8O1.95化学计量比制备的多元氢氧化物胶体经过喷雾干燥处理后,在500℃基本完成水合氧化物的分解,577℃附近完成由非晶相向立方相的转变;经过580～1000℃煅烧后,CeO2和Y2O3已经完全固溶到ZrO2中,形成类质同相体,该粉末系列均属于立方相萤石结构;掺杂进入ZrO2晶格中的Ce呈+4价形式存在;比表面积由22.0m2・g-1(580℃煅烧)减至4.97m2・g-1(1000℃煅烧);SEM结果显示800℃煅烧的该粉末颗粒尺寸分布均匀,多呈类球状,且粒径在50～80nm。
关键词:纳米ZrO2粉末;反向共沉淀2喷雾干燥法;Y2O3,CeO2复合掺杂;稀土中图分类号:TF123.2 文献标识码:A 文章编号:1000-4343(2007)06-0755-05 固体氧化物燃料电池(S olid Oxidation Fuel Cell 简称SOFC)是一种新型的发电方式,其工作时通过燃料气(如CH4,H2,CO等)和氧化剂(如O2等)的电化学反应把化学能直接转化为电能[1]。
Lee 等[2]在ZrO22CeO2中加入Y2O3可以阻止Ce4+还原反应的发生,提高了材料的稳定性。
多元掺杂ZrO2成为现在SOFC研究的热点。
实验证明:当固体电解质薄膜降到1～2μm时,SOFC的运行温度在650℃左右[3]。
等离子喷涂热障涂层相结构的研究
《 加 工艺 ２ ２ 第５ 热 工 》 ０ 年 期 ０喷 涂 热 障 涂 层 相 结 构 的 研 究
陈 和 兴 周 克 崧 ， ，金 展 鹏
（． 南 大 学 材 料 科 学 与 工 程 系 ， 南 长 沙 ４ ０ ８ ；２ 广 州 有 色金 属 研 究 院 ， 东 广 州 ５ ０ ５ ） １中 湖 １０ ３ ． 广 １ ６ １ 摘 要 ： 研 究 了 等 离 子 喷 涂 两 层 热 障 涂 层 在 大 气 和 真 空 环 境 下 ， １ １ ０ 不 同 时 问 扩 散 处 理 后 相 结 构 的 变 化 。 结 经 ０℃
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试 样 喷 涂 后 分 别 在 ｌ Ｗ 的 高 温 箱 式 电 阻 炉 和 Ｏｋ
于 陶 瓷 和 金 属 基 体 之 间 的 热 膨 胀 不 匹 配 诱 发 的 ， 瓷 陶
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等离子喷涂热障涂层组织结构及热导率研究
等离子喷涂热障涂层组织结构及热导率研究王焱;李定骏【摘要】采用扫描电子显微镜(SEM)、激光脉冲等方法研究了204NS和204NS-G粉末对等离子喷涂热障涂层组织结构及热导率的影响.结果表明:相比204NS-G 粉末,204NS粉末制备的YSZ涂层具有较高的密度和较低的孔隙率.在1 000 ℃下,204NS粉末制备的YSZ涂层热导率为0.78 W/m·K,比204NS-G粉末制备的YSZ涂层热导率高约20％.【期刊名称】《东方汽轮机》【年(卷),期】2014(000)003【总页数】4页(P75-78)【关键词】热障涂层;等离子喷涂;热导率【作者】王焱;李定骏【作者单位】东方汽轮机有限公司,四川德阳,618000;东方汽轮机有限公司,四川德阳,618000【正文语种】中文【中图分类】TG174热障涂层被广泛地应用到燃气轮机和航空涡轮发动机部件中，通过降低基体的温度来保护热端部件，延长燃气轮机和发动机部件寿命[1-3]。
典型的热障涂层系统包括3部分：（1）起到隔热作用的陶瓷层；（2）主要由Al2O3组成的氧化层（TGO）；（3）起到改善基体和陶瓷层的热膨胀性能不匹配和抗高温氧化作用的粘结层。
由于Y2O3部分稳定的ZrO2（YSZ）具有低的热导率和高的热膨胀系数，所以YSZ被广泛用到热障涂层的陶瓷层中。
对热障涂层热性能特别是热导率的研究是极为重要的。
热障涂层热导率的分析是研究涂层隔热性能的最主要因素，热障涂层隔热效果随着热导率的减小而增大[4]。
热导率与涂层材料、喷涂工艺等因素有关[5-6]。
本文采用大气等离子喷涂技术制备热障涂层，研究204NS和204NS-G 2种粉末制备的热障涂层组织结构和热导率，为在不同粉末下制备的涂层实际应用提供实验依据。
1.1 原料及YSZ涂层制备陶瓷层材料选用型号为204NS与204NS-G的2种8wt%氧化钇稳定的氧化锆。
采用Microtrac S3500型激光粒度仪测定204NS和204NS-G 2种粉末的粒径分布，粉末粒径分布如图1所示。