热障涂层TGO生长机制与涂层失效机制的研究

论文摘要

本文应用了国际先进的等离子喷涂（APS）设备、国内先进的超音速火焰喷涂设备以及超音速冷气喷射陶瓷颗粒轰击金属过渡层表面工艺制备热障涂层。依据航空标准制定了高温氧化试验与热震试验方案,利用SEM、XRD及EDS等检测手段系统、深入、完善地分析了热障涂层惹生长氧化层TGO的生长过程,明确揭示了TGO的生长机制;同时,细致分析了热障涂层的失效过程,并结合TGO的生长过程与生长机制研究了导致热障涂层失效的影响因素。为更加深入的研究热障涂层实际服役条件下热生长氧化以及涂层的失效现象打下坚实的基础。结果表明:金属过渡层的氧化在界面反应机制与元素扩散机制的双重作用下,生成了具有双层结构的热生长氧化层（TGO）。氧化初期受界面反应机制控制,迅速生成了由Al2O3、NiO、尖晶石类氧化物构成的混合氧化物层;而在氧化后期,以界面元素扩散为主导机制下,Al元素缓慢扩散到界面处氧化生成单一的Al2O3层,同时在金属过渡层表面以下形成了一层极薄的贫Al带。超音速火焰喷涂以及超音速冷气喷射陶瓷颗粒轰击金属过渡层表面工艺的应用有效改善了热障涂层金属过渡层的表面形貌,抑制了氧化过程中有害氧化物的产生,减少了原始形态与实际应用过程中缺陷的产生,有利于提高热障涂层的使用寿命。在热障涂层由微裂纹的产生长大,到扩展贯通,再到剥离脱落的整个失效过程中,界面缺陷、界面元素的扩散、Al2O3的相变收缩产生的孔洞以及硬脆相尖晶石类氧化物在应力作用下导致的微裂纹,在热障涂层实际应用的环境中都将成为导致涂层最终失效的影响因素。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 热障涂层
• 1.2.1 热障涂层设计的主要思路
• 1.2.2 热障涂层结构
• 1.2.3 热障涂层的制备方法
• 1.2.4 热障涂层的性能评价
• 1.3 热障涂层的研究进展
• 1.4 本文选题目的及主要研究内容
• 1.4.1 本文的选题目的
• 1.4.2 主要研究内容
• 第二章 实验材料与实验方法
• 2.1 试验材料成分的选择依据
• 2.1.1 热障涂层材料成分的选择依据
• 2.1.2 热障涂层合金基底材料的选择依据
• 2.1.3 热障涂层金属过渡层材料成分的选择依据
• 2.2 试验材料成分的设计
• 2.3 试验材料的制备方法
• 2.3.1 合金基底制备
• 2.3.2 合金基底表面粗化
• 2.3.3 预热
• 2.3.4 试样喷涂
• 2.3.5 高温氧化试验
• 2.3.6 热震试验
• 2.4 涂层试样形貌观察与成分分析
• 2.4.1 光学显微镜及扫描电子显微镜形貌分析
• 2.4.2 试验涂层成分分析
• 第三章 热障涂层TGO 的生长过程
• 3.1 等离子喷涂热障涂层形态及TGO 的生长过程
• 3.1.1 等离子喷涂涂层的形貌与涂层的成分分布
• 3.1.2 等离子喷涂涂层TGO 的结构与成分
• 3.1.3 高温氧化过程中物相的变化
• 3.1.4 等离子喷涂金属过渡层高温氧化中的相变与化学反应
• 3.1.5 TGO 的生长机制
• 3.1.6 金属过渡层中贫Al 带的形成
• 3.2 超音速火焰喷涂金属过渡层对涂层形貌及TGO 生长过程的影响
• 3.2.1 金属过渡层的形貌
• 3.2.2 金属过渡层高温氧化过程中的物相分析
• 3.2.3 喷涂工艺对TGO 生长过程的影响
• 3.3 超音速冷气喷射陶瓷颗粒轰击金属过渡层表面对热障涂层形态及TGO 生长过程的影响
• 3.3.1 超音速火焰喷涂金属过渡层经表面轰击后的界面形貌
• 3.3.2 超音速冷气喷射陶瓷颗粒轰击金属过渡层表面对TGO 生长过程的影响
• 3.4 APS 方法、HVOF 方法及界面改善工艺对TGO 生长速度的影响
• 3.5 本章结论
• 第四章 热障涂层的失效
• 4.1 涂层热循环失效过程的研究
• 4.1.1 热障涂层的失效过程
• 4.1.2 热障涂层的失效分析
• 4.2 影响热障涂层失效的因素
• 4.2.1 金属过渡层原始形貌对热障涂层失效的影响
• 4.2.2 涂层高温氧化对涂层失效的影响
• 4.3 本章结论
• 第五章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的论文