热障涂层性能检测技术发展现状

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航空发动机涡轮叶片热障涂层研究现状

航空发动机涡轮叶片热障涂层研究现状

第52卷第11期表面技术2023年11月SURFACE TECHNOLOGY·139·航空发动机涡轮叶片热障涂层研究现状贾宜委,王鹤峰*,王宇迪,赵帅,昂康(太原理工大学 机械与运载工程学院,太原 030024)摘要:热障涂层是一种可以有效保障航空发动机涡轮叶片正常工作,同时显著提高其工作效率和服役时间的表面防护技术。

热障涂层的性能在很大程度上影响叶片的承温和抗腐蚀能力,进而间接影响航空发动机的服役性能。

涂层性能主要受其结构和材料2个方面的影响。

介绍了涂层结构的优缺点和研究进展,当前常见的结构形式有双层结构、多层结构和梯度结构;介绍了粘结层材料的研究进展;对陶瓷层材料的研究进展进行了详述,如YSZ的掺杂改性、A2B2O7型化合物、钙钛矿结构材料以及近年来兴起的几种高熵陶瓷材料,其中高熵陶瓷材料包括:高熵稀土钽酸盐、铝酸盐、锆/铪酸盐、磷酸盐、硅酸盐以及高熵稀土氧化物,分别从热导率、热膨胀系数、断裂韧性、热循环寿命和抗腐蚀能力等方面对其进行介绍;概述了热障涂层常见的几种失效形式如:TGO失效、CMAS腐蚀以及高温烧结,并且对其发生机理进行简要的介绍;展望了热障涂层未来的发展趋势和方向。

关键词:航空发动机;热障涂层;涂层结构;涂层材料;涂层失效形式中图分类号:TG174 文献标识码:A 文章编号:1001-3660(2023)11-0139-16DOI:10.16490/ki.issn.1001-3660.2023.11.011Research Status on Thermal Barrier Coating ofAircraft Engine Turbine BladeJIA Yi-wei, WANG He-feng*, WANG Yu-di, ZHAO Shuai, ANG Kang(College of Mechanical and vehicle Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China)ABSTRACT: With the continuous development of the aviation industry, people are putting forward higher requirements for the performance of aircraft engines. Thermal barrier coating is a surface protection technology and depositing it on the engine turbine blade surface can significantly isolate high temperature and reduce thermal shock and thermal corrosion impact, to ensure the normal operation of aircraft engine turbine blade in harsh and complex environment, and can also significantly improve engine efficiency and service time. The performance of the thermal barrier coating largely affects the bearing and corrosion resistance of the blade, which in turn has an impact on the service capabilities of the aircraft engine. The performance of the coatings is mainly affected by their structure and material system. Firstly, several structural systems of thermal barrier coatings are briefly described in terms of their advantages, disadvantages and research advances. Currently common structural收稿日期:2022-08-13;修订日期:2023-03-01Received:2022-08-13;Revised:2023-03-01基金项目:山西省回国留学人员科研项目“动态压剪条件下南极固定冰屈服行为的研究”(2020-030);中国—白俄罗斯电磁环境效应“一带一路”联合实验室(ZBKF2022031101)Fund:Research Project of Returned Overseas Students in Shanxi Province, "Study of Antarctic Fixed Ice Yielding Behavior under Dynamic Compressive Shear" (2020-030); China-Belarus Electromagnetic Environmental Effects "One Belt, One Road" Joint Laboratory (ZBKF2022031101)引文格式:贾宜委, 王鹤峰, 王宇迪, 等. 航空发动机涡轮叶片热障涂层研究现状[J]. 表面技术, 2023, 52(11): 139-154.JIA Yi-wei, WANG He-feng, WANG Yu-di, et al. Research Status on Thermal Barrier Coating of Aircraft Engine Turbine Blade[J]. Surface Technology, 2023, 52(11): 139-154.*通信作者(Corresponding author)·140·表面技术 2023年11月forms include: double-layer structures, multi-layer structures and gradient structures. The classical double-layer structure is still most widely used. The preparation process of multi-layer and gradient structures is more complex and both multi-layer and dual ceramic layer structures are prone to interfacial bonding problems in use, which limits their widespread application. Secondly, the current research status of binder layer materials for thermal barrier coatings is summarized. The current research on MCrAlY alloy and NiAl alloy mainly focuses on the modification of doping elements and MCrAlY alloy still needs to be improved in terms of interfacial bonding and high temperature oxidation resistance, while the advantage of NiAl alloy mainly lies in its creep resistance and oxidation resistance, which can be used as a more ideal binder layer material after modification. At the same time, the research progress of several ceramic layer materials is introduced, such as the doping modification of YSZ, A2B2O7-type compounds, chalcogenide structural materials and several high-entropy ceramic materials that have emerged in recent years. The high-entropy ceramic materials mainly include: high-entropy rare-earth tantalates, high-entropy rare-earth aluminates, high-entropy rare-earth zirconates/hafniumates, high-entropy rare-earth phosphates, high-entropy rare-earth silicates and high-entropy rare-earth oxides, in terms of thermophysical attributes such as thermal cycle life and CTE. Currently, among the doping modifications of YSZ, multi-oxide doping provides more comprehensive performance enhancement. Doping modifications of A2B2O7-type compounds have also yielded good results, but the strength and fracture toughness of the materials need further improvement. Among the high-entropy ceramic materials, high-entropy rare-earth zirconates and high-entropy rare-earth oxides are highly promising materials for ceramic layers. In order to meet the increasing requirements for engine performance, the improvement of the performance of thermal barrier coatings still needs to be continuously explored.Common forms of failure of thermal barrier coatings, such as TGO failure, CMAS corrosion, salt spray corrosion and high temperature sintering, are reviewed and the mechanisms by which they occur are briefly described. Finally, future trends and directions for thermal barrier coatings are presented. In future research, attention should be paid to improving the mechanical properties of coatings, as well as to investigating the mechanisms behind changes in coating performance, and to achieving more accurate predictions of coating life based on current research.KEY WORDS: aircraft engines; thermal barrier coatings; coating structures; coating materials; coating failure forms随着我国航空工业的不断进步,人们对飞行器服役性能等方面的要求在逐渐提高。

热障涂层的研究进展

热障涂层的研究进展

热障涂层的研究进展随着现代工业的发展,高温材料的应用越来越广泛,如航空发动机、燃气涡轮等。

然而,高温环境下的材料容易发生氧化、腐蚀等问题,降低了材料的使用寿命和可靠性。

为了解决这一问题,人们引入了热障涂层技术,使其在高温工作环境中具有更优异的性能。

热障涂层是一种在金属表面涂覆陶瓷材料的技术,通过降低热通量的方式实现保护材料的目的。

它的特性包括良好的隔热性、抗氧化性、抗腐蚀性、抗磨损性等,使其广泛应用于航空航天、石油、化工、冶金等行业。

近年来,研究人员对热障涂层的性能进行了深入的研究和探讨,取得了不俗的成果。

热障涂层材料的研究热障涂层材料的性能主要取决于表面涂层的结构和材料的选择。

目前,常见的热障涂层材料包括氧化铝、氧化锆、氧化镁、二氧化硅等,其中以氧化铝涂层应用最为广泛。

研究人员通过对涂层材料的组织结构、化学成分等方面的研究,不断优化和提升热障涂层的性能。

例如,一些研究人员通过改变涂层中氧化铝和氧化锆的组成比例,制备了一种新型热障涂层材料。

实验结果表明,该涂层具有更好的耐热性能和耐磨性能,可以有效地提升高温材料的使用寿命。

另外,一些研究人员通过改变热障涂层中陶瓷颗粒的尺寸、形状等参数,探讨了不同参数对涂层性能的影响。

研究结果发现,涂层颗粒尺寸越大,涂层的热阻值越大;而颗粒形状则会对涂层磨损、断裂等性能产生影响。

热障涂层加工技术的研究由于热障涂层是一种高技术含量的涂层技术,其加工过程也十分关键。

研究人员对热障涂层加工技术进行了系统研究,探讨不同加工方法对涂层性能的影响,并提出了相应的改进方案。

例如,一些研究人员对热障涂层的喷涂工艺进行了优化,采用了高速火焰喷涂技术,实现了高效、节能的喷涂过程,同时提高了涂层质量和性能。

另外,研究人员还在热障涂层加工过程中引入了纳米材料,提高了涂层的性能和稳定性。

纳米材料具有较高的比表面积和活性,可以增加涂层的强度、硬度和耐磨性。

热障涂层应用领域的研究热障涂层技术的应用领域越来越广泛,涉及到航空、航天、汽车、船舶、石油、化工、冶金等多个领域。

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 。

航空发动机涡轮叶片热障涂层研究现状

航空发动机涡轮叶片热障涂层研究现状

航空发动机涡轮叶片热障涂层研究现状【1】航空发动机涡轮叶片热障涂层研究现状【2】概述航空发动机是现代航空运输的核心组件,而涡轮叶片则是发动机中最重要的零部件之一。

涡轮叶片承受着高温高压的工作环境,需要具备优异的耐热性和耐腐蚀性能。

为了提高涡轮叶片的寿命和性能,热障涂层技术应运而生。

本文将对航空发动机涡轮叶片热障涂层的研究现状进行探讨。

【3】热障涂层的作用热障涂层技术是通过在涡轮叶片表面涂覆一层耐高温材料,形成热障层,以减少叶片表面的工作温度,提高叶片的耐热性能和抗氧化能力。

热障涂层能够有效减少涡轮叶片的热应力和热疲劳损伤,延长叶片的使用寿命,并提高发动机的工作效率和可靠性。

【4】热障涂层研究的发展历程热障涂层技术在航空领域的发展可以追溯到上世纪50年代,最初采用的是金属涂层。

然而,金属涂层存在着氧化、粘结力差等问题,限制了其应用。

随着陶瓷涂层材料的研究和发展,陶瓷涂层逐渐取代金属涂层成为主流。

目前,热障涂层的研究重点主要集中在材料性能的优化、工艺改进以及涂层与基底材料之间的耦合问题等方面。

【5】热障涂层材料的选择航空发动机涡轮叶片的热障涂层材料需要具备优异的耐高温性能、热膨胀系数匹配性和抗氧化能力。

目前常用的涂层材料主要有氧化铝、氧化锆和复合材料等。

不同的涂层材料具有各自的特点和优势,在应用中需要根据具体的工作环境和性能要求来选择合适的材料。

【6】研究热障涂层的关键技术热障涂层的研究涉及到材料制备、涂层工艺、热处理和性能评价等多个方面。

其中,材料制备的关键技术包括热喷涂和物理气相沉积等方法,涂层工艺的关键技术包括预处理、喷涂参数控制和后处理等。

涂层与基底材料之间的耦合问题也是热障涂层研究中的一个重要方向。

【7】热障涂层的性能评价热障涂层的性能评价主要包括热稳定性、热膨胀性、抗氧化性和机械性能等指标。

常用的测试方法有热循环试验、热膨胀系数测试、高温氧化试验和机械性能测试等。

通过对涂层性能的评价,可以为进一步改进和优化涂层设计提供参考和依据。

热障涂层的研究与应用

热障涂层的研究与应用

热障涂层的研究与应用热障涂层(Thermal Barrier Coating,TBC)是一种能够提供高温隔热保护的表面涂层,广泛应用于航空航天、能源、汽车等领域。

本文将介绍热障涂层的研究进展和应用情况。

一、热障涂层的研究进展1. 热障涂层的组成热障涂层通常由两层组成:热障层和粘结层。

热障层主要由氧化锆、氧化钇等陶瓷材料构成,具有良好的隔热性能;粘结层则用于将热障层与基底材料牢固连接。

2. 热障涂层的制备方法目前常用的热障涂层制备方法有物理气相沉积(Physical Vapor Deposition,PVD)和热喷涂(Thermal Spray)两种。

PVD方法包括真空蒸发、磁控溅射等,可以制备出致密、均匀的热障涂层;热喷涂方法包括等离子喷涂、火焰喷涂等,适用于大面积涂层的制备。

3. 热障涂层的性能研究热障涂层的性能研究主要包括热障性能、力学性能和耐热性能等方面。

热障性能是指涂层对热流的隔离能力,可以通过热流测量仪器进行测试;力学性能是指涂层的抗剥离、抗磨损等能力,可以通过拉伸试验、摩擦磨损试验等进行评估;耐热性能是指涂层在高温环境下的稳定性,可以通过高温氧化试验等进行评价。

二、热障涂层的应用情况1. 航空航天领域热障涂层在航空航天领域的应用非常广泛。

例如,热障涂层可以应用于航空发动机的涡轮叶片上,提供高温隔热保护,延长叶片的使用寿命;热障涂层还可以应用于航天器的外壳上,减少外部热流对航天器的影响。

2. 能源领域热障涂层在能源领域的应用主要集中在燃气轮机和燃煤锅炉等设备上。

热障涂层可以提高燃气轮机的燃烧效率,减少能源损失;热障涂层还可以应用于燃煤锅炉的炉膛内壁,提高燃烧效率,减少污染物排放。

3. 汽车领域热障涂层在汽车领域的应用主要体现在发动机部件上。

热障涂层可以应用于汽车发动机的活塞、气缸盖等部件上,提高发动机的热效率,减少燃油消耗;热障涂层还可以应用于汽车排气系统的排气管道上,减少排气温度,降低噪音和排放。

热障涂层的研究现状与进展

热障涂层的研究现状与进展
1 1 热 障 涂 层 的 设 计 .
均 由结 合底 层材 料 和 陶 瓷 表层 材 料 组成 , 且各 层 中
这 2种 材料 的组 成 比呈 梯度 变 化 , 种 梯 度 变化 的 这 涂 层 结构 可使金 属基 体 到陶瓷 工作 层 的热膨胀 系数 逐 渐 变化 。受热 时基 体 与工作 层 间的温 度梯度将 减 小 , 而提 高 了涂层 的抗 热震性 能 。许 多研究 表 明 : 从 采 用梯 度 T B 设计 , 有效提 高涂 层 抗热 震性 能 , C s 能
件 可显 著提 高使 用温度 , 延长使 用寿命 , 高发 动 机 的效 率 。综述 了热 障涂层 的涂 层设 计 方 法 , 别 比较 提 分 了等 离子 喷涂 、 激光 重熔 、 电子 束物 理 气相 沉 积 、 自蔓 延 高温 合 成 等 方法 制备 热 障涂 层 的特 点 , 分析 了涂
TB s的基 本 构 想 是 利 用 陶 瓷 材 料 具 有 高 熔 C 点 、 导热率 的特性 , 此类 材料 以不 同的方 式涂 覆 低 将 于基体 金属 或其 它材 料 的 表 面 上 , 可形 成 一 个 热 就
的屏 障层 。 目前 , C TB s根 据 不 同要 求 可设 计 成 双
维普资讯
热 障 涂层 的研 究现 状 与进展
刘 海 浪 , 宝健 , 永 丹 , 丰 王 刘 闫
( 西 理 工 大 学 材 料 与化 学工 程 学 院 , 西 赣 州 3 1 0 ) 江 江 4 0 0
摘 要 : 热障涂层 一般 由金 属黏 结层 和具 有 低 热 导率 的 陶 瓷顶 层 组 成 , 用 于 涡轮 发 动机 的热 端 部 应
隔热性好 的 陶瓷热保 护 功能层 组成 的“ 合 型” 属 层 金 陶瓷复合 涂层 系统_ 。 主要 用来 降低 基体 的工 作 温 2 ] 度, 免受 高温 氧化 、 蚀 、 腐 磨损 。

热障涂层的研究现状与发展趋势

热障涂层的研究现状与发展趋势

2 Is tt o Me lc t asB in e eaR sac s tt o MiigadMe l ry B in o 0 4 C ia . tue f t l e l e igG n rl eerhI tue f nn t l g , e igl0 4 , hn) ni a i Ma r , j i ni n au j
( . c o l f tr l S in ea dEn ie rn , nrl o t ie s y Ch n s a41 0 3 Chn ; 1 S h o e as ce c n gn e g Ce ta uhUnv ri , a g h 8 , ia o Ma i i S t 0
me h n s , i r d c i n a l a h t r e e o me t f C. cai ms l e p e it s f o we l s e f u ed v lp n TB t u o Ke r  ̄ Zr e a c n o sI c L l o t g t e a a re o t g t e a p a ; a lr c a im y wo d : 02 r mi ; a -t t r d c a i ; r l rirc a i ; r l r y f i eme h s c n u l e n h m b n h m s u n
wo l wi e Wa e iwe ,c v r g TBC o o i o e e t n tu t r e in o t g f r ig tc n q e ,f i r rd d S r v e d o e i n c mp s i n s l ci ,sr c u e d sg ,c ai o t o n m n eh iu s al e u

热障涂层性能检测技术发展现状

热障涂层性能检测技术发展现状

热障涂层性能检测技术发展现状■ 文/马德隆 万德田 邱 岩 杜大艳 中国建材检验认证集团股份有限公司1 前言提升涡轮进口温度是提升航空发动机推重比的重要途径。

国内外研究表明,在维持其他条件不变的前提下,涡轮进口温度每升高50℃,可提升航空发动机推力7%~8%。

随着技术不断发展,当前最先进的涡扇航空发动机的涡轮进口温度已经超过1 900K,该温度远超常用高温合金材料的熔点。

因此,如何提升航空燃气涡轮发动机热端部件的耐高温性能成为航空发动机发展的焦点问题之一。

从20世纪50年代至今,国内外众多科研工作者针对这一问题开展了大量研究,最终形成了提高航空发动机涡轮叶片耐久性与可靠性的3大技术:高温合金等耐高温结构材料技术、高效气冷技术以及热障涂层技术。

热障涂层(T h e r m a l B a r r i e r Coatings,TBCs)是利用陶瓷材料低热导、耐高温、耐腐蚀等优越性能,将其以喷涂、沉积等多种方式附着于基体表面,从而提高基体材料的服役性能。

发展热障涂层技术,对缩小我国航空发动机与世界先进水平间的技术差距、实现跨代发展具有举足轻重的战略意义,同时对能源、航空、航天等领域也都有重大促进作用。

2 热障涂层性能检测技术研究意义对于热障涂层而言,涂层表面以及与基体界面性能的好坏直接决定构件整体性能的优劣,准确地涂层性能评价对于涂层构件服役安全可靠性具有重要的意义。

国内外曾多次报道,因航空发动机破坏而导致飞行器故障甚至坠毁的事故。

据相关机构报道,在我国发生的航空发动机事故中,80%以上都与发动机叶片失效紧密相关,而热障涂层的表面与界面失效破坏正是航空发动机涡轮叶片的主要破坏模式之一。

因此,准确评价热障涂层表面与界面性能对于保障航空发动机的服役安全可靠性具有十分重要的意义。

我国重视热障涂层的研究和发展,近几十年来在涂层制备工艺设计研究方面取得了显著的成果,中国科学院沈阳金属研究所、北京航空航天大学、武汉理工大学、西北工业大学等国内重点高校和科研院所等均在各代热障涂层工艺设计方面取得了突破,逐渐缩短了与国外的差距。

航空发动机涡轮叶片热障涂层研究现状

航空发动机涡轮叶片热障涂层研究现状

航空发动机涡轮叶片热障涂层研究现状一、引言航空发动机是现代航空器的重要组成部分,其性能直接影响到飞机的安全和经济性。

涡轮叶片作为航空发动机的重要组件之一,承受着高温和高速气流的冲击,对其表面进行热障涂层的研究成为了发展的热点之一。

本文将综述航空发动机涡轮叶片热障涂层的研究现状,并对未来的研究方向进行展望。

二、背景在航空发动机中,高温气流是涡轮叶片面临的主要问题之一。

高温气流的冲击会导致涡轮叶片的热膨胀、氧化和烧蚀等问题,进而降低了发动机的性能和寿命。

为了解决这一问题,研究人员提出了热障涂层的概念。

三、热障涂层的种类热障涂层可以分为传统热障涂层和新型热障涂层两大类。

1. 传统热障涂层传统热障涂层主要包括YSZ (Yttria Stabilized Zirconia) 和 GCO (Gadolinium Cerium Oxide) 等。

YSZ涂层被广泛应用于航空发动机中,具有优异的热障效果和氧化屏障性能。

GCO涂层相比于YSZ涂层,具有更好的机械和热损伤修复能力,但研究相对较少。

2. 新型热障涂层新型热障涂层主要包括二氧化铝涂层、钨合金涂层等。

经过改良的二氧化铝涂层具有更好的耐腐蚀性能和较低的热导率,但是其热障效果相对较差。

钨合金涂层则具有更好的高温性能和耐烧蚀能力,但是涂层的结构和制备工艺仍面临挑战。

四、热障涂层的制备工艺热障涂层的制备工艺对涂层性能的影响至关重要。

目前,常见的热障涂层制备工艺包括物理气相沉积(Physical Vapor Deposition,PVD)、化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition,CVD)和高速火焰喷涂(High VelocityOxygen/Fuel,HVOF)等。

1. PVDPVD技术通过物理手段将材料从固态直接转变为气态,然后沉积到基底上。

PVD制备的热障涂层具有致密的结构、低孔隙率和较高的结合强度,但是制备成本较高。

2. CVDCVD技术是利用化学反应将气态前驱体沉积在基底上,形成热障涂层。

热障涂层高温抗氧化性能研究的现状及发展

热障涂层高温抗氧化性能研究的现状及发展

粘结层分界面的应力。而且当址优先氧化完毕后,BC 层中的其他元素氧化形成大颗粒氧化物,出现了尖晶 石类的产物,如图5所示。加之TGO膜加厚,产生较大 的应力。最终引起涂层失效,如图6所示。所以TGO是 一把双刃剑,在TBC服役初期起正作用,后期则是导致 涂层失效的根本原因¨9J。因此,抑制TGO的生长是改 善TBC疲劳性能、提高TBC寿命的重要手段。
嚣匝

图3 EB—PVD沉积的热障涂层的破坏模式 3 TBC涂层系统失效机理研究
3.1 TBC失效机理 虽然热障涂层的制备与研究已经有20多年的历
史,然而无论是使用结果还是试验结果均表明,热障涂
万方数据
层过早剥落失效现象仍然存在。热障涂层剥落失效机 理主要有:①TGO的形成是一个体积膨胀过程,因此形 成TGO时会出现残余应力,冷却到环境温度时,应力会 进一步增大,导致涂层失效;②随着温度的改变,陶瓷 层会发生相变与烧结,增加涂层内的应力;③陶瓷烧结 过程会导致体积的显著变化和材料性能的改变,引起 平面压应力,产生垂直于分界面的裂纹;④陶瓷层自身 是多孔性介质。强度低,在温度和外载荷的交互作用 下,发生断裂、脱落;⑤基体与涂层的热膨胀行为不一 致,导致热梯度或温度梯度,进而产生内应力;⑥由于 涂层一基体两种物质的热膨胀系数不匹配及材料固有 性能上差别【l 3.14】,产生应力集中;⑦外力碰撞损伤,当 异物碰撞陶瓷层时,由于损伤可能导致TBC剥落。然 而,近些年来,人们通过对长期高温氧化气氛中服役的 TBC进行了分析。得出一个共同的观点¨卜171:TGO是 热障涂层在长期高温氧化环境下引起涂层失效不可忽 视的关键因素,如图4所示。
conference。Anaheim,CA,1993.369-374.
[3]ChaIlg K C,Wer w J,Chen C.Oxidation behavior of thermal

航空发动机热障涂层存在的问题及其发展方向

航空发动机热障涂层存在的问题及其发展方向

航空发动机热障涂层存在的问题及其发展方向一、热障涂层应用现状要想使航空发动机获得更大的推重比,就必须提高发动机涡轮前的进口温度,因此对航空发动机燃烧室、涡轮叶片等热端部件的抗高温能力的要求相应提高。

在基体合金表面涂覆热障涂层(Thermal Barrier Coating,TBC)是有效提升其抗高温能力的途径之一。

目前在涡轮发动机上获得实际应用的热障涂层均为双层结构:表层为陶瓷层,主要起隔热作用,此外还起抗腐蚀、冲刷和侵蚀的作用;内层为金属粘接层,主要起改善金属基体与陶瓷层之间的物理相容性,增强涂层抗高温氧化性能的作用。

航空发动机热障涂层迄今为止,应用最广、最成熟的热障涂层是以氧化钇(质量分数6% ~8% )部分稳定氧化锆( YSZ)陶瓷层为面层,MCrAlY合金层为粘接层的双层结构热障涂层体系。

YSZ具有低的热导率和相对较高的热膨胀系数,但是它在使用过程中存在如下问题:(1)当工作温度高于 1200 ℃时,随着烧结时间延长,YSZ 的孔隙率和微观裂纹数量逐步减少,从而导热系数上升,隔热效果下降。

(2)高温环境中,热障涂层的面层和粘接层之间会生成以含铝氧化物为主的热生长氧化物(TGO),同时金属粘接层会产生“贫铝带”,随着热循环次数的增加,贫铝带扩大,富 Ni、Co的尖晶石类氧化物在TGO 中形成,从而使TGO 内部产生较大的应力,最终诱发裂纹并导致陶瓷面层脱落。

(3)空气环境中或飞机跑道上的颗粒物进入燃烧室后,在高温作用下形成一种玻璃态沉积物CMAS(CaO,MgO,Al2O3,SiO2等硅酸铝盐物质的简称)。

CMAS 附着在发动机叶片上,在毛细管力的作用下沿着YSZ 涂层孔隙向深度方向渗透,随后CMAS与YSZ涂层中的Y2O3发生反应,加速YSZ相变,最终在热化学与热机械的相互作用下,导致YSZ 涂层内部产生裂纹。

(4)YSZ 陶瓷面层、金属粘接层、TGO 的热膨胀系数存在的差异会引起致YSZ陶瓷面层/TGO界面、TGO/金属粘接层界面上在从工作温度(上千摄氏度)降到室温的过程中产生应变失配,从而形成热失配应力,最终会导致YSZ 面层脱落。

热障涂层研究现状的综述

热障涂层研究现状的综述

热障涂层研究现状的综述2、鑫芯(杭州)智能科技有限公司浙江杭州摘要:介绍了热障涂层的材料体系及其结构特征,综述了热障涂层的制备技术、失效机理和无损检测技术等方面的研究现状,并指出热障涂层研究领域中的几个重要的研究热点及发展方向。

关键词:热障涂层;制备技术;失效机理;无损检测;研究现状0引言随着科学技术的进步,航空、航天、燃气发电、化工和冶金等众多领域促进了热障涂层的研究与发展。

热障涂层因其良好的耐高温性、较低的热导率、与基底匹配的热膨胀性能,能显著提高航空发动机的效率和推重比。

具备保护关键热端部件能力而获得广泛运用, 成为现代航空设备(燃烧室、进气道、尾喷管等)不可取代的隔热材料。

在航空、航天领域,随着高超音速飞行器的出现及发展,其高温部件表面温度已经远远超过1200℃,需求接近2300℃,因此,具有低导热系数、高热膨胀系数、高温相稳定性、低烧结率和耐高温腐蚀性能的新型陶瓷涂层成为研究的重点和热点。

美国几乎所有的军用和商用航空发动机都采用了TBCs。

近年来,欧美等国家相继制定和实施了“IHPTET”、“VAATE”、“UEET”、“ACME-II”、“AMET”等高性能航空发动机计划,均把发展新型高性能热障涂层技术列为这些计划的主要战略研究目标之一。

新型低热导、耐烧结以及高温稳定的陶瓷材料的研制是近年来热障涂层陶瓷隔热层材料的主要研究方向。

1热障涂层的材料体系典型的热障涂层体系通常包含三层复合涂层:高温合金基体之上的粘结层、热生长氧化物层和陶瓷隔热层[1]。

热障涂层系统要求有良好的隔热效果,又有抗高温氧化及热冲击性能。

针对在腐蚀介质中的特殊要求,还要具有高温耐蚀性能。

因此,新型低热导、耐烧结以及高温稳定的陶瓷材料的研制是近年来热障涂层陶瓷隔热层材料的主要研究方向。

YSZ因其较低的热导率和较高的热膨胀系数成为当前应用最为广泛的热障涂层材料。

YSZ 材料发展至今,已经通过理论计算和实验合成等对其材料性能进行了较为全面的研究。

热障涂层材料的研究和发展

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。

热障涂层的研究与应用

热障涂层的研究与应用

热障涂层的研究与应用热障涂层(Thermal Barrier Coating,TBC)是一种应用广泛的高温结构表面涂层,具有优异的隔热性能和耐热性能,被广泛应用于航空航天、汽车、能源等领域。

本文将就热障涂层的研究现状、材料组成、制备工艺以及在不同领域的应用进行探讨。

一、研究现状热障涂层的研究始于20世纪60年代,随着材料科学和表面工程技术的不断发展,热障涂层的性能得到了显著提升。

目前,研究重点主要集中在提高热障涂层的隔热性能、耐热性能和耐氧化性能,以满足高温工况下材料的需求。

同时,研究人员还致力于开发新型热障涂层材料,提高其使用寿命和稳定性。

二、材料组成热障涂层通常由多层结构组成,包括热障层、粘结层和底层基材。

其中,热障层是热障涂层的核心部分,主要由氧化铝、氧化锆等陶瓷材料构成,具有良好的隔热性能和耐热性能。

粘结层用于连接热障层和基材,通常采用镍基合金等材料。

底层基材则是被涂覆热障涂层的金属基材,如钛合金、镍基合金等。

三、制备工艺热障涂层的制备工艺主要包括热喷涂法、物理气相沉积法(PVD)和化学气相沉积法(CVD)等。

热喷涂法是目前应用最为广泛的制备工艺,通过喷涂设备将预先制备好的涂层材料喷涂在基材表面,形成热障涂层。

PVD和CVD则是通过物理或化学方法在基材表面沉积涂层材料,制备出高质量的热障涂层。

四、应用领域热障涂层在航空航天领域被广泛应用于航空发动机、涡轮叶片等高温零部件,能够有效提高零部件的耐热性能和使用寿命。

在汽车领域,热障涂层被应用于汽车发动机缸体、排气管等部件,提高了发动机的燃烧效率和排放性能。

此外,热障涂层还被应用于能源领域的燃气轮机、燃烧器等设备,提高了设备的工作效率和稳定性。

综上所述,热障涂层作为一种重要的高温结构表面涂层,在各个领域都发挥着重要作用。

随着材料科学和表面工程技术的不断进步,热障涂层的性能将得到进一步提升,为高温工况下材料的应用提供更加可靠的保障。

航空发动机涡轮叶片热障涂层研究现状

航空发动机涡轮叶片热障涂层研究现状

航空发动机涡轮叶片热障涂层研究现状一、引言航空发动机是现代航空的核心部件,其性能的优劣直接影响着飞行器的飞行效率和安全性。

而航空发动机涡轮叶片是发动机中最重要的部分之一,其工作环境极其恶劣,需要承受高温高压等极端条件。

为了保证涡轮叶片的寿命和可靠性,热障涂层技术被广泛应用于航空发动机涡轮叶片上。

二、热障涂层的概念和分类热障涂层(Thermal Barrier Coatings, TBC)是一种能够提供保护和绝缘作用的表面覆盖层,在高温环境下能够有效地减少受到热应力和氧化腐蚀等因素的影响。

根据不同的制备方法和材料组成,热障涂层可以分为多种类型,如YSZ(氧化锆稳定化)陶瓷涂层、MCrAlY(M 表示金属元素,Cr表示铬元素,Al表示铝元素,Y表示钇元素)金属涂层、La2Zr2O7(氧化镧锆)涂层等。

三、热障涂层的应用热障涂层技术已经广泛应用于航空发动机涡轮叶片上,主要是为了提高叶片的耐高温性能和抗氧化腐蚀性能。

热障涂层可以有效地减少叶片表面温度,降低热应力,延长叶片寿命。

同时,热障涂层还可以提供绝缘作用,防止热量传递到叶片内部,从而保护叶片的材料性能。

四、热障涂层的制备方法和材料选择制备方法包括物理气相沉积法、化学气相沉积法、电弧等离子喷涂法、等离子体喷涂法等。

不同的制备方法有着各自的优缺点,在选择时需要考虑到生产效率、成本、质量等因素。

材料选择方面需要考虑到其耐高温性能、导热系数、化学稳定性等因素。

五、发展趋势未来航空发动机对于热障涂层技术的需求将会更加迫切,同时也面临着更高的要求。

未来热障涂层需要具备更高的耐高温性能、更低的导热系数、更好的耐氧化腐蚀性能等特点。

此外,热障涂层还需要具备可持续性和环保性,在制备过程中减少对环境的影响。

六、结论航空发动机涡轮叶片热障涂层技术是目前航空领域中不可或缺的一部分。

通过选择合适的制备方法和材料,可以有效地提高叶片的耐高温性能和抗氧化腐蚀性能,延长其使用寿命。

航空发动机涡轮叶片热障涂层研究现状

航空发动机涡轮叶片热障涂层研究现状

航空发动机作为现代航空航天领域的核心动力装置,其性能的优劣直接关系到飞行器的飞行效率、可靠性和安全性。

而在航空发动机的众多关键部件中,涡轮叶片起着至关重要的作用。

涡轮叶片在高温、高压、高速的恶劣工作环境下运行,承受着巨大的热负荷和机械负荷,因此对其进行有效的防护和隔热至关重要。

热障涂层作为一种有效的防护手段,近年来在航空发动机涡轮叶片领域得到了广泛的研究和应用。

热障涂层的概念最早可以追溯到上世纪五六十年代,当时主要应用于火箭发动机的燃烧室部件。

随着航空技术的不断发展,热障涂层逐渐被引入到航空发动机涡轮叶片上,以提高其耐高温性能和使用寿命。

经过多年的发展,热障涂层技术已经取得了显著的进步,并且在不断地完善和创新。

一、热障涂层的工作原理和性能要求热障涂层的主要作用是降低涡轮叶片表面的温度,从而保护叶片免受高温的损害。

其工作原理是通过在涡轮叶片表面形成一层具有低热导率的涂层,阻挡热量向叶片内部的传导,同时阻止叶片表面的热量向外辐射,从而达到隔热的效果。

热障涂层通常由陶瓷层和金属粘结层组成,陶瓷层具有较高的熔点和低热导率,能够承受高温环境;金属粘结层则起到连接陶瓷层和叶片基体的作用,并且具有良好的高温稳定性和抗氧化性。

热障涂层的性能要求非常严格,主要包括以下几个方面:1. 良好的耐高温性能:能够在航空发动机工作的高温环境下长期稳定运行,不发生熔化、分解或剥落等现象。

2. 较低的热导率:有效地降低叶片表面的温度,提高叶片的热效率。

3. 良好的热稳定性:在温度变化和热循环过程中,涂层不发生开裂、剥落或变形等问题。

4. 良好的抗氧化性和抗腐蚀性能:能够抵抗发动机燃烧气体中的氧化和腐蚀作用,延长涂层的使用寿命。

5. 与叶片基体良好的结合力:确保涂层在长期的工作过程中不脱落。

6. 较低的热膨胀系数:与叶片基体的热膨胀系数相匹配,减少因热应力引起的涂层开裂和剥落。

二、热障涂层的制备方法目前,常用的热障涂层制备方法主要有等离子喷涂、电弧喷涂、火焰喷涂、物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)等。

2024年稀土热障涂层材料市场分析现状

2024年稀土热障涂层材料市场分析现状

2024年稀土热障涂层材料市场分析现状引言稀土热障涂层材料是一种广泛应用于航空航天、船舶、汽车和能源领域的高技术涂层材料。

它具有优异的高温抗氧化性能和热障隔热性能,能够有效保护基底材料免受高温腐蚀和热应力的损伤。

本文将对稀土热障涂层材料市场的现状进行分析。

市场规模稀土热障涂层材料市场在过去几年呈现出快速增长的趋势。

据市场研究机构的数据显示,稀土热障涂层材料市场的规模从2016年的X亿美元增长到2020年的X亿美元。

预计在未来几年内,市场规模将继续保持较高增长率。

应用领域稀土热障涂层材料广泛应用于航空航天、船舶、汽车和能源领域。

航空航天领域是稀土热障涂层材料的主要应用领域之一,占据了市场的较大份额。

船舶领域对稀土热障涂层材料的需求也在不断增加,这源于船舶在高温海域的使用环境。

同时,随着汽车行业对节能减排要求的提高,稀土热障涂层材料在汽车领域的应用也将得到进一步拓展。

市场竞争格局稀土热障涂层材料市场存在着较为激烈的竞争。

目前市场上主要的稀土热障涂层材料供应商包括A公司、B公司和C公司等。

这些公司在技术研发、产品质量和售后服务等方面都具有一定的竞争优势。

此外,一些新兴的稀土热障涂层材料供应商也不断涌现,给市场竞争带来一定的压力。

发展趋势稀土热障涂层材料市场在未来将面临一些新的发展趋势。

首先,随着航空航天、船舶和汽车领域的快速发展,稀土热障涂层材料的需求将持续增加。

其次,新材料和新工艺的不断涌现将推动该市场的进一步发展。

例如,纳米技术的应用可以进一步提高稀土热障涂层材料的性能。

此外,环保要求的提高也将对该市场产生一定的影响,推动环保型稀土热障涂层材料的研发和应用。

总结稀土热障涂层材料市场具有较高的发展潜力,随着航空航天、船舶和汽车等领域的快速发展,其市场规模将持续增加。

市场竞争格局较为激烈,技术研发和产品质量将成为企业竞争的关键。

未来,新材料和新工艺的不断涌现以及环保要求的提高将推动该市场的进一步发展。

2023年热障涂层行业分析报告及未来五至十年行业发展报告

2023年热障涂层行业分析报告及未来五至十年行业发展报告

热障涂层行业分析报告及未来五至十年行业发展报告目录前言 (4)一、热障涂层行业(2023-2028)发展趋势预测 (4)(一)、热障涂层行业当下面临的机会和挑战 (4)(二)、热障涂层行业经营理念快速转变的意义 (5)(三)、整合热障涂层行业的技术服务 (6)(四)、迅速转变热障涂层企业的增长动力 (6)二、热障涂层行业政策背景 (7)(一)、政策将会持续利好热障涂层行业发展 (7)(二)、热障涂层行业政策体系日趋完善 (7)(三)、热障涂层行业一级市场火热,国内专利不断攀升 (8)(四)、宏观经济背景下热障涂层行业的定位 (8)三、热障涂层产业未来发展前景 (9)(一)、我国热障涂层行业市场规模前景预测 (9)(二)、热障涂层进入大规模推广应用阶 (9)(三)、中国热障涂层行业的市场增长点 (9)(四)、细分热障涂层产品将具有最大优势 (10)(五)、热障涂层行业与互联网等行业融合发展机遇 (10)(六)、热障涂层人才培养市场广阔,国际合作前景广阔 (11)(七)、热障涂层行业发展需要突破创新瓶颈 (12)四、2023-2028年热障涂层业市场运行趋势及存在问题分析 (13)(一)、2023-2028年热障涂层业市场运行动态分析 (13)(二)、现阶段热障涂层业存在的问题 (13)(三)、现阶段热障涂层业存在的问题 (14)(四)、规范热障涂层业的发展 (16)五、热障涂层企业战略目标 (16)六、热障涂层业的外部环境及发展趋势分析 (16)(一)、国际政治经济发展对热障涂层业的影响 (16)(二)、国内政治经济发展对热障涂层业的影响 (17)(三)、国内突出经济问题对热障涂层业的影响 (17)七、热障涂层企业战略保障措施 (18)(一)、根据企业的发展阶段,及时调整组织架构 (18)(二)、加强人才培养与引进 (19)1、制定人才整体引进方案 (19)2、渠道人才引进 (20)3、内部员工竞聘 (20)(三)、加速信息化建设步伐 (20)八、热障涂层产业投资分析 (21)(一)、中国热障涂层技术投资趋势分析 (21)(二)、大项目招商时代已过,精准招商愈发时兴 (22)(三)、中国热障涂层行业投资风险 (22)(四)、中国热障涂层行业投资收益 (23)九、关于未来5-10年热障涂层业发展机遇与挑战的建议 (23)(一)、2023-2028年热障涂层业发展趋势展望 (23)(二)、2023-2028年热障涂层业宏观政策指导的机遇 (24)(三)、2023-2028年热障涂层业产业结构调整的机遇 (24)(四)、2023-2028年热障涂层业面临的挑战与对策 (25)前言中国的热障涂层业在当前复杂的商业环境下逐步发展,呈现出一个积极整合资源以提高粘连性的耐寒时代。

热障涂层材料发展趋势

热障涂层材料发展趋势

热障涂层材料的发展趋势主要表现在以下几个方面:
1.高温稳定性的提高:随着航空发动机和燃气轮机的工作温度不断提高,热障涂
层材料必须具备更高的高温稳定性,以保持其良好的隔热性能和耐热性能。

因此,未来的研究将更加注重开发具有更高稳定性的热障涂层材料。

2.多层涂层技术的研究与应用:为了提供更好的隔热性能和更高的耐热性,多层
涂层技术已成为热障涂层领域的研究热点。

通过将不同材料和工艺组合起来,可以进一步优化热障涂层的性能,以满足更加复杂和严苛的工作环境要求。

3.新型材料的探索与研究:为了满足高温稳定性和其他性能要求,新型材料的探
索与研究已成为热障涂层领域的重要发展方向。

例如,纳米材料、陶瓷基复合材料等新型材料的出现为热障涂层的发展提供了新的机遇。

4.涂层制备工艺的改进与创新:随着航空发动机和燃气轮机的发展,对热障涂层
的制备工艺也提出了更高的要求。

未来的研究将更加注重涂层制备工艺的改进与创新,以实现更加高效、环保、低成本的制备过程。

5.综合性能的优化:除了高温稳定性外,热障涂层的机械性能、热膨胀系数匹配
性、附着强度等也是重要的性能指标。

未来的研究将更加注重这些性能指标的综合优化,以提高热障涂层的整体性能和可靠性。

总之,随着航空发动机和燃气轮机的发展,热障涂层材料将不断向着高温稳定性、多层涂层技术、新型材料、制备工艺和综合性能优化等方向发展。

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热障涂层性能检测技术发展现状
作者:马德隆万德田邱岩杜大艳
来源:《新材料产业》2020年第01期
1 前言
提升涡轮进口温度是提升航空发动机推重比的重要途径。

国内外研究表明,在维持其他条件不变的前提下,涡轮进口温度每升高50℃,可提升航空发动机推力7%~8%。

随着技术不断发展,当前最先进的涡扇航空发动机的涡轮进口温度已经超过1 900K,该温度远超常用高温合金材料的熔点。

因此,如何提升航空燃气涡轮发动机热端部件的耐高温性能成为航空发动机发展的焦点问题之一。

从20世纪50年代至今,国内外众多科研工作者针对这一问题开展了大量研究,最终形成了提高航空发动机涡轮叶片耐久性与可靠性的3大技术:高温合金等耐高温结构材料技术、高效气冷技术以及热障涂层技术。

热障涂层(Thermal Barrier Coatings,TBCs)是利用陶瓷材料低热导、耐高温、耐腐蚀等优越性能,将其以喷涂、沉积等多种方式附着于基体表面,从而提高基体材料的服役性能。

发展热障涂层技术,对缩小我国航空发动机与世界先进水平间的技术差距、实现跨代发展具有举足轻重的战略意义,同时对能源、航空、航天等领域也都有重大促进作用。

2 热障涂层性能检测技术研究意义
对于热障涂层而言,涂层表面以及与基体界面性能的好坏直接决定构件整体性能的优劣,准确地涂层性能评价对于涂层构件服役安全可靠性具有重要的意义。

国内外曾多次报道,因航空发动机破坏而导致飞行器故障甚至坠毁的事故。

据相关机构报道,在我国发生的航空发动机事故中,80%以上都与发动机叶片失效紧密相关,而热障涂层的表面与界面失效破坏正是航空发动机涡轮叶片的主要破坏模式之一。

因此,准确评价热障涂层表面与界面性能对于保障航空发动机的服役安全可靠性具有十分重要的意义。

我国重视热障涂层的研究和发展,近几十年来在涂层制备工艺设计研究方面取得了显著的成果,中国科学院沈阳金属研究所、北京航空航天大学、武汉理工大学、西北工业大学等国内重点高校和科研院所等均在各代热障涂层工艺设计方面取得了突破,逐渐缩短了与国外的差距。

然而,无论国内还是国外,热障涂层性能测试技术的发展都远落后于涂层制备技术的发展。

直到21世纪初,热障涂层的大部分的性能测试仍无标准方法可依。

造成热障涂层性能一直以来难以检测的原因主要为:①涂层通常难以从基体上有效剥离进行测试;②即使剥离下来,其厚度也无法加工为标准试样进行各种物理性能测试。

为解决热障涂层等陶瓷涂层的性能测试的国际性难题,国际标准化组织组建了陶瓷涂层工作组,面向全世界的高校、科研院所等机构征求涂层性能测试方法。

3 国内外常规热障涂层性能检测技术
目前,国内外常规的热障涂层性能测试评价方式主要包括:
3.1 将涂层从基体上剥离,单独进行测试
由于热障涂层与合金基体构成的复合体材料无法直接测试,部分国内外研究者通过将涂层喷涂厚度增加,喷涂在石墨基体或其他易进行分离的基体上的形式,将涂层材料分离为独立的块体材料进行测试。

北京矿冶科技集团有限公司的高丽华等利用PS—PVD的方式在石墨基体上制备8YSZ热障涂层,采用机械加工设备将石墨基体磨去,测试分离后独立涂层的热扩散系数;意大利罗马卡萨西亚研究中心的Girolamo等采用机械加工的方式将锆酸镧(La2Zr2O7)涂层与基体进行分离,并采用四点弯曲法测试了从1 100~1 500℃的涂层弹性模量;罗马大学的Pulci等将硼化锆(ZrB2)-碳化硅(SiC)—硅化钼(MoSi2)涂层沉积在石墨基体上,采用电火花侵蚀的方式将基体剥离后,测试了500℃、1 000℃、1 500℃条件下涂层的弹性模量。

然而,无论何种剥离涂层的手段都会对涂层本身造成一定的损伤,同时这种方式忽略了基体对涂层性能的影响,使得测得的涂层性能与真实性能之间存在较大的误差。

3.2 采用局部性能来表征涂层整体性能
由于很难实现对涂层整体宏觀性能的直接测试,部分研究利用材料表面性能测试技术,例如纳米压痕法等,通过分析涂层表面的局部性能来表征涂层的整体性能。

印度K.S.Rangasamy技术学院的Rajendran等人采用纳米压痕测试技术,对800~1000℃条件下三氧化二铝(Al2O3)二氧化锆(ZrO2)/二氧化硅(SiO2)涂层的弹性模量进行测试;湘潭大学的毛卫国等人运用纳米压痕法对热障涂层的弹性模量和硬度随温度变化的演变规律进行了研究;北京航空航天大学的齐红宇等应用云纹干涉法与钻孔法结合的光测力学实验方法,研究了等离子热障涂层基体材料镍基高温合金的残余应力。

采用这种方式测得的局部性能可以一定程度上表征均质涂层的整体性能,但对于典型非均质的热障涂层,由于缺陷分布密集,各个局部的性能偏差很大,无法适用。

3.3 利用超声波、X射线衍射等微观测试方法测试涂层性能
通过超声波、X射线衍射等微观测试方法,观察涂层材料微观结构的变化来表征涂层的相关性能。

大连理工大学的顾晓春等人利用超声波法测试3种不同工艺制备的7YSZ涂层的声压反射系数,进而计算出涂层的弹性模量;美国西北大学Jordan等采用X射线衍射法测量了ZrO2-8%Y2O3热障涂层中的应力分布;北京航空制造工程研究所的邹世坤等采用X射线衍射技术测试了激光冲击处理和激光热处理后的ZrO2涂层残余应力分布。

与局部性能测试技术类似,采用微观测试技术仅能评价材料表面微区的性能,并不能揭示涂层整体的性能,不同位置测试材料性能离散性分部大。

3.4 利用复合体性能变化来反映涂层的性能
通过对涂层/基体复合体的性能进行测试,建立复合体性能随涂层工艺变化的规律,以此反映涂层性能的优劣。

国防科技大学的Luo等在1 300℃条件下对3Al2O3·2二氧化硅(SiO2)+硅酸鉺
(Er2SiO5)+氧化铒(Er2O3)涂层/(碳化硅纤维增强碳化硅)SiC—SiC基体进行拉伸试验,测得复合体的应力—应变曲线,来评价涂层高温弹性模量的变化规律;英国剑桥大学的Tsui等通过测试复合体的曲率来监测涂层喷涂过程中涂层内部残余应力的变化规律。

这种方式
通过测试涂层/基体复合体的整体力学性能一定程度上可以反映涂层对基体性能的影响,但并未实现单一涂层的力学性能的表征。

4 3步法测试技术及国际标准化应用
针对上述热障涂层性能测试评价方法存在的不足之处,中国建材检验认证集团股份有限公司(简称“国检集团”)首席科学家包亦望教授经过多年潜心研究,在国际上率先提出“三步法”评价技术。

三步法测试技术是脱胎于包教授提出的相对法理论。

相对法是一种间接的测试方法,其核心是建立材料已知易得的可测参数与未知难得的难测参数间的解析关系,从而可通过可测参数来推导难测参数。

该方法尤其适用于一些无法采用常规测试技术直接测量的材料性能参数。

对于陶瓷涂层的物理性能测试,涂层性能因无法直接测试,属于难测参数;而单质基体或含有涂层的复合体试样,均可以利用传统块体样品测得其物理性能,属于可测参数。

因此通过建立涂层与基体和复合体三者间物理性能参数的解析关系,即可通过测试基体与复合体性能,计算出涂层的性能。

该方法测试步骤可简化为第1步,测试基体性能;第2步,测试复合体性能;第3步,计算涂层性能。

因此这种方法被叫做“三步法”。

采用这一研究思路,结合三点弯曲法实现了涂层常温弹性模量与强度的测试;结合脉冲激励法实现了涂层高温弹性模量的测试;结合相对缺口环法实现了涂层超高温弹性模量的测试;结合顶杆法实现了涂层热膨胀系数的测试;结合阿基米德排水法实现了涂层密度的测试;结合一维稳定传热模型实现了涂层导热系数的测试;结合十字交叉法实现了涂层界面结合强度的测试;结合涂层制备工艺机理将涂层分为同温涂层与异温涂层,并分别建立计算模型实现了涂层残余应力的测试。

热障涂层性能评价可以参照表1中的公式。

另外,基于上述技术,设计并研制了涂层残余应力测试仪及配套软件,该项技术通过国际专利合作协议(PCT),获得美国专利授权。

在国际专利的引领下,与国际知名的热分析仪器制造商德国林赛斯公司签署战略合作协议,合作开展涂层热膨胀系数仪与残余应力测试仪器的研制与销售,实现创新技术的国际化应用。

三步法技术克服了一些常规技术的缺点,实现了过去经常遇到但又无法解决的技术难题。

在涂层热物理性能评价领域中位于领先地位,填补了国内外的空白,系列技术成功转化为5项国际标准(表2),有效地提高了我国的科技竞争力和市场竞争力。

三步法测试涂层系列技术成果经中国建筑材料联合会科技成果鉴定,得出以下结论:相对法测试技术解决了陶瓷涂层热物理性能测试的系列国际性难题。

成果创新性突出,填补了国内外空白,达到了国际领先水平。

5 热障涂层检测技术下一步发展趋势
目前,基于相对法测试技术已实现了绝大部分热障涂层本征性能以及部分服役性能的准确测试。

随着热障涂层服役温度进一步的升高以及对涂层实际服役性能变化规律需求的进一步提高,在未来热障涂层检测技术的发展中将会更加注重两方面的研究内容:第一,对热障涂层更苛刻服役条件下性能准确的准确评价,包括热障涂层超高温环境性能测试,热障涂层高温水氧
腐蚀环境下性能测试等;第二,热障涂层实际服役性能的测试评价,结合热障涂层的实际服役环境进行更深入研究,包括热障涂层抗热震性能评价方法;热障涂层寿命预测技术研究;热障涂层构件服役过程内应力变化规律等。

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