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熱障涂層研究現狀概況

時間:2019-05-03 09:56來源:畢業論文
為了降低未來航天航空發動機的燃料消耗,提高推力/質量比和使用壽命,許多密度低、室溫韌性好、高溫強度高的先進材料將被大量使用,各種功能涂層將得到廣泛應用,其中熱障涂層

為了降低未來航天航空發動機的燃料消耗,提高推力/質量比和使用壽命,許多密度低、室溫韌性好、高溫強度高的先進材料將被大量使用,各種功能涂層將得到廣泛應用,其中熱障涂層(TBCs)對提高發動機工作溫度起著非常重要的作用[8]。所謂熱障涂層是指由金屬粘結層和陶瓷表面涂層組成的涂層系統。其中陶瓷層借助于中間抗高溫氧化作用的合金粘結層而與基體連結。20世紀80年代和90年代6%-8%Y2O3部分穩定的ZrO2涂層作為普遍研究使用的陶瓷熱障涂層,具有顯著的隔熱效果,顯示了巨大的優勢[9]。正是由于熱障涂層對基底材料起到隔熱和降溫作用,使得其制成的器件能在高溫下運行[10]。熱障涂層的結構體系為了使熱障涂層達到最好的隔熱效果,必須對熱障涂層系統進行結構設計[11-12]。目前,熱障涂層的結構主要分三種:雙層結構、多層結構和梯度結構[13],如圖l所示。其中,雙層結構主要由陶瓷層和粘結層構成圖l (a ),具有結構簡單與工藝成熟的優點。但是,陶瓷層與粘結層的熱膨脹系數及彈性模量相差較大,在高溫熱循環過程中易脫落。因此,為了緩解界面熱物理性能的不匹配,發展了多層結構,主要由金屬粘結層、多層隔熱層、A l2O3阻氧層以及陶瓷頂層等構成圖1 (b )。與雙層結構相比,該結構雖然降低了氧化層生長速度 ,提高了涂層抗氧化性能,但是工藝復雜,抗熱震性能改善不大, 在航空發動機領域的應用受到較大限制。因此,為了進一步提高熱障涂層的抗高溫氧化與力學性能,對涂層進行梯度結構設計圖1(c ), 使涂層的化學成分、 組織結構及力學性能沿涂層厚度方向呈梯度變化,實現陶瓷層與高溫合金的最佳性能距配,降低涂層的殘余應力,有效防止了涂層的剝落[14-16]用于熱障涂層的金屬粘結層。35111

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 熱障涂層結構        
圖1 熱障涂層結構
金屬粘結層主要用于增強陶瓷涂層與基體的結合力、提高熱膨脹系數匹配,也為了提高基體的抗氧化性。目前,熱障涂層系統普遍是以 MCrAlY (M = N i,Co或NiCo)抗高溫氧化合金作為金屬粘結層,表層為陶瓷隔熱層,但由于CoO、Fe2O3 等在高溫下易與ZrO2 的單斜相或立方相發生化學反應,因此,CoCrAlY 和FeCrAlY 不宜做熱障涂層的粘結底層。發動機的高溫工作環境對熱端部件主要有3 種腐蝕(氧化)形式:高溫氧化、高溫熱腐蝕、低溫熱腐蝕,溫度高于1000 ℃時以高溫氧化為主要腐蝕形式。由于NiCoCrAlY 粘結層的抗氧化、抗熱腐蝕綜合性能較好,因此,飛機發動機葉片用熱障涂層大多采用這種合金體系。Al 在高溫時可以氧反應形成一層非常薄但很致密的Al2O3 保護膜,阻止高溫氧化的進一步進行,達到保護基體的目的,但Al 過多會增大涂層的脆性,提高延性-脆性轉變溫度,因此結合層中的Al 含量一般在5 %~12 %(wt ) 之間 。添加Cr 可促使TGO 的形成,降低形成氧化鋁保護膜所需的臨界鋁含量。對于航空發動機,葉片主要發生高溫熱腐蝕,要求結合層中的Cr含量高于20wt %;Y用于改善TGO 和結合層的粘附性,降低結合層的氧化速率,但由于Y在合金中的溶解度很低,若Y含量過高時,會偏聚在晶界處,使結合層的抗高溫氧化和熱腐蝕性能下降,因此涂層中Y的加入量一般小于1wt %。 Y提高結合層抗氧化性的主要原因為:Y可以阻止金屬陽離子向外擴散,以抑制金屬相中空位的聚集;通過形成栓狀氧化物,增加氧化物的粘附性;提高氧化物的塑性;抑制氧化物的橫向生長,減小橫向壓應力。為提高結合層的抗氧化能力,延長涂層的使用壽命,在MCrAlY中添加一些改變結合層抗氧化及耐熱腐蝕性能的元素(Si 、Ti 、Ta 、W、Co 、Mo 、Hf)在NiCoCrAlYSi 涂層中加入Si ,由于SiO2 本身抗氧化和熱腐蝕,而且具有高溫自愈合特性,因此提高了涂層的抗氧化和熱腐蝕性能為提高結合層的抗氧化能力, 延長涂層的使用壽命,在MCrAlY中添加一些改變結合層抗氧化性及耐熱腐蝕性能的元素(Si 、Ti 、Ta 、W、Co 、Mo 、Hf)在NiCoCrAlYSi 涂層中加入Si,由于SiO2 本身抗氧化和熱腐蝕,而且具有高溫自愈合特性,因此提高了涂層的抗氧化和熱腐蝕性能。MCrAlY的成分對TGO 的生長速度、成分、完整性以及與基體的結合力等因素有決定作用,結果表明Cr 含量較高時18 %~35 % (wt ),涂層中有α-Cr 相出現,α-Cr 的存在可降低結合層的熱膨脹系數,減小熱應力,從而延長涂層壽命。論文網 熱障涂層研究現狀概況:http://www.aftnzs.live/yanjiu/20190503/32916.html
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