热障涂层

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
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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
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.
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。
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。 技术中占有十分重要的地位。
热障涂层的结构
目前，热障涂层的结构主要有双层结构， 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。
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。
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。