预氧化处理对热障涂层使用寿命的影响

论文摘要

本文采用等离子喷涂（APS）在Ni基高温合金上制备了NiCoCrAlY粘结层和陶瓷层（ZrO2-8wt.%Y2O3）,然后对喷涂态的热障涂层进行预氧化处理,利用扫描电子显微镜（SEM）、能谱分析仪（EDS）、X射线衍射仪（XRD）、红宝石荧光光谱（RFS）等检测手段,对涂层的显微组织、元素分布、物相组成、残余应力进行了分析,研究了预氧化处理对热障涂层使用寿命的影响。研究结果表明:预氧化处理能使热喷涂CoNiCrAlY粉末产生的高度不一致的微观组织变得均质化,提高涂层致密度,并通过控制高真空烧结炉中的氧分压,使氧只与粘结层中Al发生反应,预氧化处理后的热障涂层经1050℃×1h高温氧化后即在粘结层与陶瓷层界面处产生连续、厚度均匀、单一成分（Al2O3）的热生长氧化物（TGO）,成分单一的Al2O3层有效地阻碍了其它非保护性氧化物的生成,降低了氧化速度,TGO快速进入缓慢增厚的平台期;涂层经1050℃×120h高温氧化后,TGO内未出现分层现象,其成分仍以Al2O3为主,厚度仍然比较均匀,TGO仍然处于稳定氧化阶段。可见,预氧化处理缩短了涂层的瞬态氧化阶段,延长了稳定氧化阶段,涂层高温氧化抗力得到提高。预氧化处理消除了等离子喷涂在沉积过程中产生的残余应力,微观组织均质化的粘结层又会相应降低由于凸起尖角产生复杂应力的概率。同时预氧化处理干预了TGO的生长过程,降低TGO的生长速度,减少了TGO层应力集中现象的发生。RFS应力分析表明,两种热障涂层TGO内的残余应力均随着热震次数的增加而增大,但经预氧化处理的涂层应力增长幅度较缓慢,热障涂层应力水平增长较为平稳,改善了热循环过程中TGO层内的应力状态,经过400次热循环后热障涂层依然完好,涂层抗热震性能得到提高。综上所述,预氧化处理使喷涂态粘结层微观组织均质化,消除了喷涂沉积过程中产生的残余应力。同时使得单一,致密的Al2O3膜提前生成,有效抑制有害氧化物生成,改善了服役过程涂层应力状态,从而提高了热障涂层的使用寿命。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 热障涂层概述
• 1.2 热障涂层材料
• 1.2.1 陶瓷层材料
• 1.2.2 粘结层材料
• 1.3 热障涂层的结构
• 1.4 涂层的制备
• 1.4.1 等离子喷涂原理及特点
• 1.4.2 电子束物理气相沉积的原理及特点
• 1.4.3 超音速火焰喷涂的原理及特点
• 1.5 热障涂层的失效机制研究
• 1.6 热障涂层的研究现状
• 1.7 热生长氧化物生长热力学依据
• 1.8 本文的选题依据及研究内容
• 1.8.1 本文的选题依据
• 1.8.2 本文主要研究内容
• 第二章 实验材料与方法
• 2.1 实验材料
• 2.1.1 合金基体材料
• 2.1.2 陶瓷层材料
• 2.1.3 粘结层材料
• 2.2 试验方法
• 2.2.1 本文总体思路图
• 2.2.2 试样制备
• 2.2.3 等离子喷涂工艺参数
• 2.2.4 预氧化试验
• 2.2.5 高温氧化试验
• 2.2.6 热循环试验
• 2.2.7 涂层的氧化增重实验
• 2.2.8 金相试样的制备
• 2.2.9 形貌观察及成分分析
• 2.2.10 残余应力测试方法
• 第三章 涂层抗高温氧化性能的研究
• 3.1 热障涂层高温氧化时的界面扩散理论
• 3.1.1 扩散基本原理
• 3.1.2 扩散机制
• 3.2 预氧化处理对涂层形貌及TGO 生长机制的影响
• 3.2.1 粘结层的表面形貌分析
• 3.2.2 粘结层经高温氧化后热生长氧化物的形貌
• 3.3 粘结层高温氧化后的物相分析
• 3.4 粘结层氧化增重实验分析
• 3.5 热障涂层的高温氧化过程分析
• 3.5.1 等离子喷涂涂层高温氧化行为
• 3.5.2 预氧化处理热障涂层的高温氧化行为
• 3.6 本章结论
• 第四章 预氧化处理热障涂层热震性能的研究
• 4.1 预氧化处理涂层的热震性能分析
• 4.1.1 等离子喷涂热障涂层的热循环过程
• 4.1.2 预氧化处理热障涂层的热循环失效过程分析
• 4.2 预氧化处理热障涂层的残余应力分析
• 4.2.1 热障涂层残余应力产生机理
• 4.2.2 预氧化处理热障涂层的残余应力计算
• 4.3 本章结论
• 第五章 结论
• 参考文献
• 攻读硕士期间所取得的相关科研成果
• 致谢