等离子喷涂

论文题目：等离子喷涂氧化钇部分稳定氧化锆-漂珠复合涂层的组织与性能研究

研究方向：表面工程材料

题目来源：国家部委省市厂、矿自

选有无

合同

经费

数

备注

√

题目类型：理论

研究应用

研究

工程

技术

跨学科

研究

其他应用研究

A：研究生论文选题的来源及意义

工程应用背景

热障涂层系统（TBCs，Thermal Barrier Coating Systems）通常是指沉积在金属或其他物质表面、具有良好隔热效果的陶瓷涂层。其主要功能是降低高温环境下零部件的基体温度，以避免其被高温氧化、腐蚀或磨损。金属氧化物及其复合材料相比其他材料而言具有更低的热导率，而且其在富氧的高温环境中具有更好的稳定性，因此成为理想的热障涂层材料。目前，使用等离子喷涂制备的热障涂层已被广泛地应用于航空发动机热端部件、燃烧室器壁、大型钢铁厂轧辊、核反应容器等，用来降低基体的工作温度。采用大气等离子喷涂（APS）方法在MCrAlY (M: Ni,Co或NiCo)粘结低层上喷涂ZrO2-(6～8 wt.%)Y2O3（YSZ）是最常用的TBCs体系。

伴随现代航空工业的快速发展，热端部件的工作条件越来越苛刻，进而对零部件的性能提出更高的要求。例如，直升机高新工程发动机排气系统排气管工作时表面温度高达600℃。排气管隔热材料要求具有防火性能，而且密度低，不影响飞机整体结构设计，隔热效率要高，且能在较小的厚度下将排气管的温度阻隔到其要求的温度以下。

当前工程主要采取在尾喷管外表面捆绑陶瓷隔热材料的方式进行隔热，隔热效果基本能够满足要求，但是其结果却是重量超出了一倍左右，从而带

来了较大的重量代价，不能完全满足工程上所要求的技术性能指标，因此必须研制一种轻质防火隔热材料，以满足新一代热端部件的热防护要求。

选题的意义

我们通过对漂珠的简单分析研究发现其可能是一种能满足上述工程需求的较为理想的材料。漂珠的主要化学成分为硅、铝的氧化物，其中二氧化硅约为50－65%，三氧化二铝约为25－35%。因为二氧化硅的溶点高达摄氏1725度，三氧化二铝的溶点为摄氏2050度，均为高耐火物质。因此，漂珠具有极高的耐火度，一般达摄氏1600－1700度，使其成为优异的高性能耐火材料。质轻、保温隔热。漂珠壁薄中空，空腔内为半真空，只有极微量的气体（N2、H2及CO2等），热传导极慢极微。所以漂珠不但质轻（容重250－450公斤/m3），而且保温隔热优异（导热系数常温0.08－0.1），这为其在轻质保温隔热材料领域大显身手奠定了基础。硬度大、强度高。由于漂珠是以硅铝氧化物矿物相（石英和莫来石）形成的坚硬玻璃体，硬度可达莫氏6－7级，静压强度高达70－140MPa，真密度2.10－2.20克/cm3，和岩石相当。因此，漂珠具有很高的强度。一般轻质多孔或中空材料如珍珠岩、沸岩、硅藻土、海浮石、膨胀蛭石等均是硬度差、强度差，用其制的保温隔热制品或轻质耐火制品，都有强度差的缺点。他们的短处恰恰是漂珠的长处，所以漂珠就更有竞争优势，用途更广。粒度细，比表面积大。漂珠自然形成的粒度为1－250微米。比表面积300－360cm2/g，和水泥差不多。因此，漂珠不需粉磨，可直接使用。细度可满足各种制品的需要，其他轻质保温材料一般粒度都很大（如珍珠岩等），如果粉磨就会大幅度增加容量，使隔热性大大降低。在这方面，漂珠有优势。

综上所述，基于氧化锆导热率低和漂珠材料密度小、中空、隔音、耐火、耐磨的特点,我们提出采用等离子喷涂经过团聚处理的纳米氧化锆／氧化钇／漂珠三元陶瓷热障涂层体系,为研究开发适用工程要求的热障涂层材料开辟了一条新途径,具有重要的科学技术意义和工程应用价值。

B: 论文选题在该领域国内、国外研究现状

国内外热障涂层（TBCs）的研究与应用已有几十年的历史。等离子喷涂TBCs技术由于其具有生产效率高、成本低、涂层成分和厚度易于控制、对被喷涂物件尺寸和形状限制小等有点，受到国内外的普遍重视。对于TBCs，其性能的表征主要为涂层的隔热性能、热震性能、结合强度和高温抗氧化性能，而TBCs材料及组织结构是影响上述性能的主要因素。

为了进一步提高热障涂层的高温使用性能和使用寿命，国内外在热障涂层材料、结构及性能等方面开展了大量的研究。目前，美国和俄罗斯走在了世界前列，其研制的热防护材料主要包括以下三类，第一类纤维质复合材料，该类材料充分发挥了无机纤维隔热材料多孔、质轻、低导热的特点。第二类是多层反射热控材料，由多层反射屏加纤维并散布金属碎片制成，已广泛应用于国内外研制的各类卫星上，如德国MAN工艺公司研制的IMI材料系统在Al2O3纤维表面蒸镀金或铂。第三类是颗粒型涂料类材料，该类材料充分发挥了空心结构材料低比重、低热导的特性，可广泛用于隔热填料，或者由空心陶瓷微珠、陶瓷微珠与纤维混合经粘接热压成型制成多孔状隔热材料，现在俄罗斯研制成功的此类材料已经广泛应用在导弹弹头、弹体过渡段、喷管以及其它飞行器的局部防热部位。

适当增加陶瓷层的孔隙率，在涂层中形成良性裂纹和孔隙，有利于降低导热系数和热应力，提高隔热性能和热循环性能。曾有研究者认为，采用MCrAlY＋Al2O3＋ZrO2－Y2O3热障涂层体系可能具有更高的性能，但试验结果证明，该涂层体系最突出的优点是提高高温抗氧化性能，隔热性能改善并不明显。而且，随着温度提高，氧化锆导热系数明显增加。另有研究结果已经证明，ZrO2－CeO2－Y2O3陶瓷涂层较ZrO2－Y2O3涂层有更高的隔热性能和耐高温腐蚀性能。我国沈阳黎明航空发动机集团公司采用ZrO2／CeO2／Y2O3陶瓷粉末等离子喷涂获得的TBCs，在提高隔热性能方面也取得了一定的进展，但这种微米结构陶瓷热障涂层在热震等性能方面仍不能满足新一代涡轮发动机叶片高温使用性能的要求。

C ：论文选题的理论依据、研究方法、研究内容、实施方案和拟解决的关键问题

技术工艺路线

研究内容

（1） 等离子喷涂陶瓷粉末涂层的组织、相结构特点及热障涂层体系的性能（耐磨性能、热循环性能、结合强度、耐腐蚀性能）特点；

（2）漂珠的含量对涂层组织结构和性能的影响；

（3）喷涂电流对涂层组织结构和性能的影响。

关键技术

（1） 优化等离子喷涂工艺参数以保证获得理想的TBCs 涂层；优化陶瓷涂

层的成分以满足技术要求；

（2） 揭示漂珠含量和喷涂电流对热障涂层组织和性能的影响规律。 实施方案与可行性

（1）将ZrO 2（20～50μm ）陶瓷粉末和漂珠（1～300μm ）混合，采用等离

涂层低温稳定性改变漂珠含量

改变工艺参数总结、结题

传统TBC 涂层比较新型纳米TBC 性能特点优化喷涂参数

优化涂层成分涂层性能测试

涂层高温稳定性涂层组织分析

喷涂试验纳米(ZrO 2/Y 2O 3+wt30％漂珠)