等离子喷涂纳米结构热障涂层组织结构与残余应力分析

论文摘要

本文采用了20nm以下的ZrO2-8wt.%Y2O3为原料,在实际工业生产条件下,通过球磨制浆、喷雾干燥、烧结热处理、等离子处理等一系列步骤,制备了ZrO2-8wt.%Y2O3（8YSZ）纳米结构团聚体可喷涂喂料。SEM分析结果表明:纳米结构团聚体喂料呈现球状包覆型结构,粒径大约在1050μm之间,流动性好,非常适合进行等离子喷涂。而传统结构喂料则呈现不规则的多边形状。将通过喷雾造粒得到的纳米结构团聚体喂料以及直接购买得到的传统结构喂料在同种工艺条件下,分别采用了两种不同的工艺进行了热喷涂实验。制备了不同厚度分布的纳米结构与传统结构两种类型的热障涂层。对涂层进行了组织结构分析,表面组织结构分析表明:纳米结构涂层工作层致密,粗糙度小,而传统结构涂层工作层疏松,粗糙度大。截面组织结构分析表明,两种涂层均由打底层和工作层组成。其中打底层由熔凝区域、半熔凝区域、未熔凝区域构成。对于纳米结构热障涂层,其工作层缺陷少,裂纹细小,且呈现不规则的网状分布,打底层与工作层结合的界面处缺陷也少,而传统结构的热障涂层工作层缺陷多,裂纹较为粗大,且工作层还出现碎裂现象。打底层与工作层的界面结合缺陷也大。对两种涂层的截面进行了显微硬度测试,测试结果表明,纳米结构和传统结构热障涂层工作层的显微硬度分别为HV810.1和HV775.8。压痕的SEM分析结果表明,纳米结构涂层压痕处裂纹短而细,而传统结构热障涂层压痕处裂纹长而宽。对两种涂层的截面进行了纳米压痕实验,结果表明,打底层的弹性模量为33.84GPa,纳米结构和传统结构热障涂层工作层的弹性模量分别为120.12GPa和135.02GPa。对这种涂层截面工作层进行了气孔率的测量,测量结果表明,纳米结构热障涂层工作层的气孔率随着涂层厚度的增加而增加,而在相同工艺条件下制备的同种厚度的纳米结构与传统结构的热障涂层,前者工作层的气孔率小于后者。涂层的表层残余应力测试结果分析表明,纳米结构的热障涂层的表层残余应力明显低于传统结构热障涂层的表层的残余应力,约低24.7%。对于具有相同打底层的纳米结构热障涂层,其表层残余应力的数值随着陶瓷层的厚度增加而增加,当陶瓷层厚度在240μm以下,表层为残余压应力,而当陶瓷层厚度超过300μm时,表层为残余拉应力。本文对这一结果提出了相应的物理力学模型并予以解释。涂层的结合强度分析测试表明,纳米结构热障涂层的结合强度随着陶瓷层的厚度增加而减小,同种厚度纳米结构热障涂层的结合强度高于传统结构的热障涂层。涂层的热导率测试表明,纳米结构和传统结构热障涂层的热导率分别为1.14 W·m-1·K-1,1.39 W·m-1·K-1,涂层的隔热温度试验结果表明:在800℃条件下,纳米结构热障热障涂层的隔热温度大约在170℃左右,且隔热温度值随着陶瓷层厚度值的增加而增加,且纳米结构热障涂层的隔热温度高于传统结构。涂层的抗热震性试验表明:随着工作层与打底层厚度比的增加,涂层的热循环次数在下降。SEM及EDS分析结果表明:热循环过程中,涂层裂纹起源于打底层与工作层的界面,并沿着界面扩展到工作层,在热循环过程中,会产生少量的热生长氧化层（TGO）,TGO的存在加速了涂层的失效破坏。采用ANSYS生死单元对热障涂层的残余应力进行了有限元的计算,计算结果与涂层的残余应力实验结果吻合较好。对打底层与工作层具有正弦曲线的界面的残余应力进行了计算,计算结果表明,涂层的残余应力是界面形貌的函数。对涂层的隔热也进行了计算,计算结果与实验也基本吻合。对TGO界面处具有一个沿陶瓷层方向的垂直裂纹热障涂层的热循环过程进行了计算,计算结果表明,裂纹尖端的应力强度因子在热循环的冷却过程中随着时间的延长而减小,裂纹在冷却的初始具有最大的扩展可能性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究目的
• 1.2 热障涂层的结构体系
• 1.3 热障涂层的材料体系
• 1.3.1 陶瓷层材料
• 1.3.2 粘结层材料
• 1.4 热障涂层制备方法的发展
• 1.4.1 热喷涂法
• 1.4.2 EB-PVD 法
• 1.4.3 CVD法
• 1.4.4 三种制备方法对比
• 1.5 热障涂层残余应力研究现状
• 1.5.1 残余应力检测方法
• 1.5.2 残余应力数学计算的国内外研究现状
• 1.5.3 残余应力有限元仿真计算的国内外研究现状
• 1.6 热喷涂参数对残余应力的影响
• 1.7 本论文的主要研究内容
• 第2章 实验材料及研究方法
• 2.1 实验原料
• 2.2 热喷涂实验
• 2.3 纳米团聚体的分析表征
• 2.3.1 纳米团聚体的相分析
• 2.3.2 纳米团聚体的形貌分析
• 2.3.3 可喷涂喂料的粒度检测
• 2.4 热障涂层的组织结构分析及性能测试
• 2.4.1 热障涂层物相分析
• 2.4.2 涂层显微组织结构分析
• 2.4.3 涂层厚度的检测
• 2.4.4 涂层截面维氏硬度的测试
• 2.4.5 涂层截面弹性模量的测试
• 2.4.6 涂层截面气孔率的测量
• 2.4.7 涂层表层残余应力的测试
• 2.4.8 涂层结合强度的检测方法
• 2.4.9 涂层热导率测量
• 2.4.10 涂层隔热温度检测
• 2.4.11 涂层抗热震性能检测
• 2.4.12 涂层残余应力的有限元计算
• 第3章 纳米结构热障涂层组织结构与性能表征
• 3.1 引言
• 3.2 喷涂喂料的SEM分析
• 3.3 热障涂层的相分析和显微组织分析
• 3.3.1 热障涂层的相分析
• 3.3.2 热障涂层的组织分析
• 3.4 纳米结构热障涂层形成机理
• 3.5 热障涂层的性能测试
• 3.5.1 涂层截面工作层维氏硬度测试分析
• 3.5.2 涂层截面弹性模量的测试分析
• 3.5.3 涂层截面工作层气孔率的测量
• 3.5.4 涂层的结合强度
• 3.6 本章小结
• 第4章 纳米结构热障涂层隔热与抗热震性能分析
• 4.1 引言
• 4.2 热障涂层隔热性能
• 4.2.1 热障涂层的热导率测试
• 4.2.2 热障涂层的隔热温度测试分析
• 4.2.3 热障涂层的隔热温度有限元仿真计算
• 4.3 热障涂层抗热震性能
• 4.3.1 热障涂层的抗热震性的测试
• 4.3.2 热障涂层热循环的初步仿真计算
• 4.4 本章小结
• 第5章 热障涂层的残余应力ANSYS仿真计算
• 5.1 引言
• 5.2 ANSYS简介
• 5.2.1 ANSYS热分析的基本原理
• 5.2.2 ANSYS热应力分析的基本原理
• 5.3 热障涂层表层的残余应力分析
• 5.3.1 表层残余应力测试
• 5.3.2 对表层残余应力的分析与讨论
• 5.3.3 对表层残余应力的有限元仿真计算
• 5.4 热障涂层界面残余应力分析
• 5.4.1 界面为平直直线
• 5.4.2 界面为曲线
• 5.5 残余应力导致涂层的失效分析
• 5.5.1 失效模式分析
• 5.5.2 残余应力形成机理
• 5.5.3 降低残余应力的措施
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢