热障涂层

涂层制备工艺
涂层制备工艺主要有等离子喷涂技术、 涂层制备工艺主要有等离子喷涂技术、液相 等离子喷、电子束物理气相沉积、 等离子喷、电子束物理气相沉积、激光重熔 或溶敷、自蔓延高温合成法(SHS) 、电泳 或溶敷、自蔓延高温合成法(SHS) 沉积等方法。 沉积等方法。 目前最常用的是等离子喷涂， 目前最常用的是等离子喷涂，电子束物理气 相沉积。 相沉积。
热障涂层陶瓷层材料
合适的热障涂层表面层材料应满足如下基本 要求: 要求: (1)高熔点; (2)在室温与工作温度之间无相 (1)高熔点; (2)在室温与工作温度之间无相 高熔点 (3)热导率低 (4)良好的化学稳定性 热导率低; 良好的化学稳定性； 变; (3)热导率低; (4)良好的化学稳定性； (5)热膨胀系数与金属基体匹配 (6)与金属 热膨胀系数与金属基体匹配; (5)热膨胀系数与金属基体匹配; (6)与金属 基体结合力高; (7)较低的烧结速率 较低的烧结速率. 基体结合力高; (7)较低的烧结速率. 其中,最重要的是热导率、 其中,最重要的是热导率、热膨胀系数和高 温相稳定性能
研究内容
• 目前广泛应用的8YSZ的长期使用温度为1200℃，超 目前广泛应用的8YSZ的长期使用温度为1200℃， 8YSZ的长期使用温度为1200℃ 1200℃，相变加剧，易烧结，氧传导率高， 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， 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。 口温度进一步提高的需要。 • 稀土锆酸盐相对于YSZ更低的热导率、更高的高温稳 稀土锆酸盐相对于YSZ更低的热导率、 YSZ更低的热导率 定性等优点而成为研究的热点。 定性等优点而成为研究的热点。 • 本课题采用稀土锆酸盐共沉淀法制备实验所需的稀 土锆酸盐粉末。 土锆酸盐粉末。
涂层的失效机制
• TBCs 的失效剥落涉及因素众多,主要有以下 的失效剥落涉及因素众多, 几类: 几类: 热膨胀失配而产生应力使涂层失效; (1) 热膨胀失配而产生应力使涂层失效; (2) 由于相变引起涂层体积变化而使涂层失 效; (3) 由于在中间层与外层界面热生长的氧化 TGO)层对 物(Thermally grown oxide 简称 TGO)层对 金属基体之间界面的破坏而造成失效。 金属基体之间界面的破坏而造成失效。
液相等离子喷涂(SPS) 液相等离子喷涂(SPS) 得到的涂层晶粒尺寸小 , 结合强度, 结构致密 ,表面粗糙度小 ,结合强度, 具有很好 的绝热性能和强韧性。热稳定性好。 的绝热性能和强韧性。热稳定性好。 沉积速率 相对较快。 相对较快。具有良好的抗热震性和寿命。。 自蔓延合成方法具有操作过程简单、 节能省时、 自蔓延合成方法具有操作过程简单、 节能省时、 反应迅速、 成本低廉、 纯度高等特点。 反应迅速、 成本低廉、 纯度高等特点。但制备 强度低。 的材料往往空隙多 ,致密度低 ,强度低。通常采 用反应时加压和加强生坯涂层的致密度来提高密 度。
目前对稀土锆酸盐的研究主要集中在烧绿石结构的锆酸盐 该锆酸盐具有比YSZ更低的热导率、 YSZ更低的热导率 A3+2B4+2O7,该锆酸盐具有比YSZ更低的热导率、更高的高温 稳定性.研究表明,从元素La Gd的锆酸盐至少在1500℃下 La到 的锆酸盐至少在1500℃ 稳定性.研究表明,从元素La到Gd的锆酸盐至少在1500℃下 具有良好的相稳定性. 具有良好的相稳定性. 稀土铈酸盐与稀土锆酸盐相比,由于CeO 的熔点低于ZrO 稀土铈酸盐与稀土锆酸盐相比,由于CeO2的熔点低于ZrO2, 所以理论上认为稀土铈酸盐热膨胀系数应该高于稀土锆酸 但目前有关稀土铈酸盐的报道仅限于La 盐.但目前有关稀土铈酸盐的报道仅限于La2Ce2O7和 研究表明,二者的热膨胀系数分别是14 14× /K和 Nd2Ce2O7.研究表明,二者的热膨胀系数分别是14×10-6/K和 13× /K,远高于稀土锆酸盐 远高于稀土锆酸盐, 13×10-6/K,远高于稀土锆酸盐,并且具有良好的高温相稳 定性能,Nd2Ce2O7的热导率同样远低于YSZ. 定性能,Nd 的热导率同样远低于YSZ.
可用于热障涂层的材料的有氧化铝， 可用于热障涂层的材料的有氧化铝，氧化锆及其复合氧化 稀土锆酸盐，稀土铈酸盐。 物，稀土锆酸盐，稀土铈酸盐。 氧化铝由于热导率相对较高，热膨胀系数较小， 氧化铝由于热导率相对较高，热膨胀系数较小，弹性模量 致使其隔热性能和抗热冲击性能较差， 大，致使其隔热性能和抗热冲击性能较差，目前已经被淘 汰。 氧化锆具有高熔点，良好的高温化学稳定性，低热导率， 氧化锆具有高熔点，良好的高温化学稳定性，低热导率， 与金属基体材料相近的热膨胀系数以及优良的力学性能， 与金属基体材料相近的热膨胀系数以及优良的力学性能， 是目前应用最为广泛的材料。氧化锆在1180度会发生相变， 1180度会发生相变 是目前应用最为广泛的材料。氧化锆在1180度会发生相变， 并伴随3% 5%的体积膨胀 为此，需加入稳定剂。 3%- 的体积膨胀。 并伴随3%-5%的体积膨胀。为此，需加入稳定剂。常用的 稳定剂有氧化钙，氧化镁，氧化钇，氧化铈，氧化硅， 稳定剂有氧化钙，氧化镁，氧化钇，氧化铈，氧化硅，氧 化铌等。 化铌等
• 等离子喷涂涂层沉积快,生产效率高,对涂层材料 等离子喷涂涂层沉积快,生产效率高, 要求宽松,操作简便,制备成本低。 要求宽松,操作简便,制备成本低。缺点是陶瓷涂 层表面粗糙;涂层以机械结合为主,应变容限差;涂 层表面粗糙;涂层以机械结合为主,应变容限差; 层中缺陷较多。 层中缺陷较多。 • EB-PVD制备的TBC稳定性好, 高温下有良好的应变 EB-PVD制备的TBC稳定性好, 制备的TBC稳定性好 承受能力,从而提高了涂层的抗热疲劳性能; 承受能力,从而提高了涂层的抗热疲劳性能; 表面 光滑, 陶瓷层/粘结层界面为扩散冶金结合. 但涂 光滑, 陶瓷层/粘结层界面为扩散冶金结合. 层的导热系数高于等离子喷涂层。 层的导热系数高于等离子喷涂层。且其沉积效率 远低于APS,设备造价昂贵, APS,设备造价昂贵 远低于APS,设备造价昂贵,制造的部件尺寸也受到 真空室的限制。 真空室的限制
学术交流报告
主要内容
• 研究背景 • 研究内容 • 研究意义
研究背景
热障涂层是无机涂层的一个重要分 支，它能够有效保护先进发动机高 温部件并改善发动机性能,在发动机 温部件并改善发动机性能, 技术中占有十分重要的地位。 技术中占层结构， 目前，热障涂层的结构主要有双层结构，多层结构和 梯度结构。 梯度结构。 双层结构结构简单，但由于金属和陶瓷热物性能相差 双层结构结构简单， 较大，在使用过程中容易脱落。 较大，在使用过程中容易脱落。 多层结构相对双层抗氧化性较好，但热震性能改善不 多层结构相对双层抗氧化性较好， 且工艺复杂，重复性，可靠性较差。 大，且工艺复杂，重复性，可靠性较差。 梯度涂层的化学成分， 梯度涂层的化学成分，组织结构及力学性能呈连续变 实现了陶瓷涂层与高温合金的最佳性能匹配， 化，实现了陶瓷涂层与高温合金的最佳性能匹配，提 高其结合强度，并使热应力得到缓解， 高其结合强度，并使热应力得到缓解，有效防止涂层 的剥落。 的剥落。