热障涂层粘结层与基底元素互扩散行为的相场模拟与实验研究

发布时间：2020-06-30 06:17

【摘要】：热障涂层作为先进的隔热陶瓷涂层极大地提升了航空发动机的工作温度,进而提高了发动机的性能与热效率。但是热障涂层在高温服役过程中,苛刻的工作环境可致其发生氧化、冲蚀、腐蚀及粘结层与基底间元素互扩散等失效问题,最终促使涂层剥落。其中,粘结层与基底间的元素互扩散会导致界面处形成柯肯达尔孔洞与互扩散区,基底生成的拓扑密堆相会诱发产生二次反应区,从而造成界面及基底力学性能的下降。但是当前对于热障涂层粘结层与基底的元素互扩散研究并不透彻,因此本文在材料热力学与动力学的基础上利用相场理论建立了粘结层与基底间的元素互扩散模型模拟元素的扩散,同时采用微观结构表征手段开展了粘结层与基底元素互扩散的实验研究。本文的主要研究内容如下:(1)根据CALPHAD相图热力学计算了Ni-Al-Cr三元合金中γ相与β相的吉布斯自由能及其在1100oC下的等温截面相图,进一步,根据等温相图与粘结层和基底的初始成分确立了相结构的初始扩散偶。基于原子动力学理论计算了γ相与β相中各元素的原子迁移率,并将其转化为了相场模型中的化学迁移率,为元素互扩散的相场理论分析提供了参数。(2)从相图热力学与原子动力学出发,利用相场理论建立了热障涂层粘结层与基底的元素互扩散模型,根据相关文献选取了模型参数,推得元素扩散以及相演化的控制方程,从而得到了Al,Cr元素在1100oC下随时间的分布规律及微观相结构的演变规律。模拟结果表明Al和Cr元素均从粘结层扩散至基底,Al元素含量变化不如Cr元素明显,且随着扩散时间延长,元素扩散速率在逐渐降低,此外,粘结层由于Al元素含量的减少而导致发生了β→γ相变。(3)开展了热障涂层NiCrAlY粘结层与DD6高温单晶基底间元素互扩散的实验研究。通过SEM、DES和XRD等微观表征手段研究了不同扩散时间下元素的分布规律及粘结层和基底的微观结构演变。实验结果表明试Al和Cr元素均从粘结层扩散至基底,并在粘结层与基底界面形成互扩散区,且伴有大量的拓扑密堆相生成,拓扑密堆相与基质相共同形成了二次反应区。
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TG174.4;V231
【图文】：

湘潭大学硕士学位论文叶片冷却技术并重的高性能航空发动机高压涡轮叶片的三大关键技术热障涂层概述1 热障涂层的概念与结构热障涂层技术是指将具有隔热效果的陶瓷材料通过喷涂工艺沉积到面，使其具有抗氧化、抗腐蚀效果、并能降低发动机工作温度的一种。热障涂层使得表面陶瓷层与基底间形成高达 300oC 的温度梯度，而底则能表现出更好的抗热疲劳损伤特性。经过不断的发展与改进，热障涂层系统已演变成为多层结构材料，如，热障涂层主要包括以下四层结构[6]：气冷薄层

械强度[9]。镍基高温合金的微观结构主要包括主相γ以及强化障涂层粘结层的制备工艺不断的发展与改进，制备粘结层的方法也越来越多，目前比较括：等离子喷涂法(Plasma spray，PS)，高速氧燃料喷涂法(H法等。子喷涂法：等离子喷涂法又包括两类，真空等离子喷涂ray，VPS)和大气等离子喷涂法(Air plasma spray，APS)。等离用于制备粘结层，此方法的喷涂过程对合金基底的影响较小，熔材料的涂层。但同时涂层中也存在微裂纹夹杂、表面粗糙度陷，在这个过程中从而导致其耐腐蚀性能和抗震性能差[10]。等用等离子体焰流将喷涂材料加热达到熔化或半熔化状态[11]，然的颗粒撞击在基底上，颗粒被气流推动加速向前喷射在基底使，最终形成波浪式的层状组织薄片，原理如图 1.2 所示。该技较低、生产效率高和适用面广等特点，已成为制备粘结层的等离子气体+电流

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本文编号：2734967