曲面热障涂层TGO残余应力的PLPS无损检测
发布时间：2021-10-21 23:25
热障涂层作为高性能航空发动机中前级涡轮叶片上必然使用的防护涂层,早已被各国航发部门列为航空发动机高温热防护的关键技术。在实际服役环境中,热障涂层在陶瓷层与粘结层界面处形成的热生长氧化物（Thermally grown oxidation,TGO）能够进一步阻止内部金属的氧化,但也是陶瓷层产生界面裂纹并最终剥落失效的根本原因。应用先进的无损检测技术对具有真实涡轮叶片形貌的热障涂层TGO残余应力及其分布情况进行检测是判断热障涂层整体质量与服役寿命的重要手段。本文中,使用电子束物理气相沉积（EB-PVD）方法制备了具备不同柱状晶倾斜度（与基底水平面的夹角为:0°,5°,10°）的平面热障涂层,以及具有不同曲率基底(曲率为0 mm-1,0.002 mm-1,0.025 mm-1,-0.03 mm-1,0.2 mm-1的镍基合金基底)的曲面热障涂层。光激发荧光压电光谱（Photo-stimulated luminescence piezo-spectroscopy,PLPS）方法用于测量...
【文章来源】：湘潭大学湖南省
【文章页数】：61 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
热障涂层结构示意图[23]
第1章绪论3APS制备工艺制备的热障涂层为层状结构，涂层含氧量低且致密性良好。如图1.2(a)所示为APS制备工艺原理图：采用非转移型等离子电弧为热源，喷枪的喷嘴(带正电的阳极)和电极(带负电的阴极)之间可以产生强电弧，然后借助高频火花引燃电弧，电弧将流动气体电离成等离子弧，随后将粉末颗粒原料送入等离子射流中，待送入的原料加热到熔融状态或者半熔融状态时，使其以一定的速度喷射到经过预处理的基体表面，在经过快速冷却后在基体表面形成致密的热喷涂涂层。以APS制备工艺制备的热障涂层如图1.2(b)所示，涂层内部具有较多孔洞与裂纹，且表面粗糙度较大。这种高孔隙率的致密层状结构使得热障涂层具备较低的热传导，因此该涂层广泛应用在涡轮发动机静止导向叶片，且我国的APS工艺发展也已经相对成熟。图1.2(a)APS喷涂工艺示意图；(b)典型APS热障涂层微观结构相较于APS制备工艺而言，EB-PVD制备工艺更加复杂，且设备费用较为昂贵。如图1.3(a)所示：在真空沉积室中，电子枪产生的电子束在经过加速之后具有较高的动能，在经过270°的翻转之后射向YSZ靶材，具备高动能的电子束能够充分地将靶材蒸发，最终使得靶材沉积到基体表面，形成致密的柱状晶结构。在沉积之前，基体都会进行加热，以此来提高涂层和基体的结合力[27]。EB-PVD制备的热障涂层为柱状晶结构，如图1.3(b)所示。EB-PVD制备工艺是20世纪80年代开发，近年来发展不断成熟，是把电子束和物理气相沉积结合起来的涂层涂
层制备工艺[28]。EB-PVD制备的热障涂层具有与APS工艺全然不同的微观结构以及热力学性能，其特有的柱状晶结构使得涂层具备良好的应变容限，不容易产生裂纹，这使得EB-PVD制备的涂层具有优异的抗热震性能[29]。因此，EB-PVD制备的热障涂层广泛应用于航空发动机的涡轮旋转叶片。然而，事实上，EB-PVD制备热障涂层的设备与工艺一直都属于欧美国家的出口限制范畴，并且对于先进的EB-PVD设备与技术，欧美国家更是对我国绝对禁止。目前而言，我国对于EB-PVD制备技术仍然不能达到世界领先水平，还需要作进一步的研究与突破。图1.3(a)EB-PVD原理示意图；(b)EB-PVD热障涂层微观结构示意图1.3热障涂层失效机理和残余应力检测方法1.3.1热障涂层主要失效类型随着航天航空事业的飞速发展，热障涂层的应用范围也变得越来越广泛，但是随之而来的是更加恶劣的服役环境[30]。热障涂层作为飞机涡轮叶片的防护涂层，在服役期间其内部结构与材料特性在多种因素的影响下会发生一定的变化，导致涂层失效，从而丧失其防护作用，最终导致叶片直接暴露在高温下，情况严重的话，甚至会直接影响到飞机的飞行安全。热障涂层失效的形式主要表现在氧化层内部产生平行于界面的裂纹，或者氧化层与上下两层的界面处形成界面裂纹，导致陶瓷层开裂甚至剥落[31]。造成热障涂层失效的因素来自各个方面，Levi等人[32]将热障涂层主要失效形式进行了整理，并将其分成了外在环境影响因素和涂层材料与结构造成的内在影响因素两大方面。外在环境影响因素：飞机在飞行的过程中，热障涂层需要承受极高的温度，燃油未充分燃烧而产生的颗粒物，以及本身就存在于空气中的硬质颗粒，飞机飞行所需要的高温燃气使得这些颗粒物具有极高的速度，在飞行过程中，这些颗粒物会撞向涂层表面，而?
【参考文献】：
期刊论文
[1]氧化钇稳定氧化锆涂层的研究现状[J]. 彭春玉. 广州化工. 2019(13)
[2]MCrAlY粘结层的微观组织及制备方法研究进展[J]. 陈守东. 材料导报. 2019(15)
[3]热障涂层失效机制的研究进展[J]. 彭春玉. 广东化工. 2019(05)
[4]航空发动机涡轮叶片热障涂层应用的关键技术和问题[J]. 程玉贤,王璐,袁福河. 航空制造技术. 2017(15)
[5]热障涂层的制备工艺及研究进展[J]. 杨宏波,刘朝辉,丁逸栋,罗火东,余文威. 电镀与涂饰. 2017(14)
[6]航空表面涂层技术的应用与发展[J]. 李其连,崔向中. 航空制造技术. 2016(14)
[7]影响热障涂层失效因素的研究现状及展望[J]. 周会会,宋鹏,廖红星,臧俊杰,黄太红,陆建生. 材料导报. 2016(07)
[8]中子衍射测量残余应力研究进展[J]. 徐小严,吕玉廷,张荻,吕维洁. 材料导报. 2015(09)
[9]MCrAlY涂层及热障涂层的研究进展[J]. 樊自拴,柯婷婷. 材料保护. 2013(07)
[10]航空发动机涂层技术研究及进展[J]. 孙勇汉,张斌,陈礼顺. 航空制造技术. 2013(09)
博士论文
[1]氧化锆基热障涂层材料的制备、热物理性能及CMAS腐蚀[D]. 汪敏.中国工程物理研究院 2018
硕士论文
[1]高温状态下不同服役阶段热障涂层内应力的检测及变化规律[D]. 丘珍珍.中国民航大学 2018
[2]航空发动机过渡态控制设计及优化方法研究[D]. 曹灿.南京航空航天大学 2018
[3]掺杂改性复合热障涂层组织与性能研究[D]. 汪倡.哈尔滨工程大学 2018
[4]等离子喷涂内送粉喷枪的设计及工艺优化[D]. 乔新义.中国农业机械化科学研究院 2014
[5]热障涂层界面失效与氧化层应力演变的关联研究[D]. 周长春.湘潭大学 2014
本文编号：3449923
【文章来源】：湘潭大学湖南省
【文章页数】：61 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
热障涂层结构示意图[23]
第1章绪论3APS制备工艺制备的热障涂层为层状结构，涂层含氧量低且致密性良好。如图1.2(a)所示为APS制备工艺原理图：采用非转移型等离子电弧为热源，喷枪的喷嘴(带正电的阳极)和电极(带负电的阴极)之间可以产生强电弧，然后借助高频火花引燃电弧，电弧将流动气体电离成等离子弧，随后将粉末颗粒原料送入等离子射流中，待送入的原料加热到熔融状态或者半熔融状态时，使其以一定的速度喷射到经过预处理的基体表面，在经过快速冷却后在基体表面形成致密的热喷涂涂层。以APS制备工艺制备的热障涂层如图1.2(b)所示，涂层内部具有较多孔洞与裂纹，且表面粗糙度较大。这种高孔隙率的致密层状结构使得热障涂层具备较低的热传导，因此该涂层广泛应用在涡轮发动机静止导向叶片，且我国的APS工艺发展也已经相对成熟。图1.2(a)APS喷涂工艺示意图；(b)典型APS热障涂层微观结构相较于APS制备工艺而言，EB-PVD制备工艺更加复杂，且设备费用较为昂贵。如图1.3(a)所示：在真空沉积室中，电子枪产生的电子束在经过加速之后具有较高的动能，在经过270°的翻转之后射向YSZ靶材，具备高动能的电子束能够充分地将靶材蒸发，最终使得靶材沉积到基体表面，形成致密的柱状晶结构。在沉积之前，基体都会进行加热，以此来提高涂层和基体的结合力[27]。EB-PVD制备的热障涂层为柱状晶结构，如图1.3(b)所示。EB-PVD制备工艺是20世纪80年代开发，近年来发展不断成熟，是把电子束和物理气相沉积结合起来的涂层涂
层制备工艺[28]。EB-PVD制备的热障涂层具有与APS工艺全然不同的微观结构以及热力学性能，其特有的柱状晶结构使得涂层具备良好的应变容限，不容易产生裂纹，这使得EB-PVD制备的涂层具有优异的抗热震性能[29]。因此，EB-PVD制备的热障涂层广泛应用于航空发动机的涡轮旋转叶片。然而，事实上，EB-PVD制备热障涂层的设备与工艺一直都属于欧美国家的出口限制范畴，并且对于先进的EB-PVD设备与技术，欧美国家更是对我国绝对禁止。目前而言，我国对于EB-PVD制备技术仍然不能达到世界领先水平，还需要作进一步的研究与突破。图1.3(a)EB-PVD原理示意图；(b)EB-PVD热障涂层微观结构示意图1.3热障涂层失效机理和残余应力检测方法1.3.1热障涂层主要失效类型随着航天航空事业的飞速发展，热障涂层的应用范围也变得越来越广泛，但是随之而来的是更加恶劣的服役环境[30]。热障涂层作为飞机涡轮叶片的防护涂层，在服役期间其内部结构与材料特性在多种因素的影响下会发生一定的变化，导致涂层失效，从而丧失其防护作用，最终导致叶片直接暴露在高温下，情况严重的话，甚至会直接影响到飞机的飞行安全。热障涂层失效的形式主要表现在氧化层内部产生平行于界面的裂纹，或者氧化层与上下两层的界面处形成界面裂纹，导致陶瓷层开裂甚至剥落[31]。造成热障涂层失效的因素来自各个方面，Levi等人[32]将热障涂层主要失效形式进行了整理，并将其分成了外在环境影响因素和涂层材料与结构造成的内在影响因素两大方面。外在环境影响因素：飞机在飞行的过程中，热障涂层需要承受极高的温度，燃油未充分燃烧而产生的颗粒物，以及本身就存在于空气中的硬质颗粒，飞机飞行所需要的高温燃气使得这些颗粒物具有极高的速度，在飞行过程中，这些颗粒物会撞向涂层表面，而?
【参考文献】：
期刊论文
[1]氧化钇稳定氧化锆涂层的研究现状[J]. 彭春玉. 广州化工. 2019(13)
[2]MCrAlY粘结层的微观组织及制备方法研究进展[J]. 陈守东. 材料导报. 2019(15)
[3]热障涂层失效机制的研究进展[J]. 彭春玉. 广东化工. 2019(05)
[4]航空发动机涡轮叶片热障涂层应用的关键技术和问题[J]. 程玉贤,王璐,袁福河. 航空制造技术. 2017(15)
[5]热障涂层的制备工艺及研究进展[J]. 杨宏波,刘朝辉,丁逸栋,罗火东,余文威. 电镀与涂饰. 2017(14)
[6]航空表面涂层技术的应用与发展[J]. 李其连,崔向中. 航空制造技术. 2016(14)
[7]影响热障涂层失效因素的研究现状及展望[J]. 周会会,宋鹏,廖红星,臧俊杰,黄太红,陆建生. 材料导报. 2016(07)
[8]中子衍射测量残余应力研究进展[J]. 徐小严,吕玉廷,张荻,吕维洁. 材料导报. 2015(09)
[9]MCrAlY涂层及热障涂层的研究进展[J]. 樊自拴,柯婷婷. 材料保护. 2013(07)
[10]航空发动机涂层技术研究及进展[J]. 孙勇汉,张斌,陈礼顺. 航空制造技术. 2013(09)
博士论文
[1]氧化锆基热障涂层材料的制备、热物理性能及CMAS腐蚀[D]. 汪敏.中国工程物理研究院 2018
硕士论文
[1]高温状态下不同服役阶段热障涂层内应力的检测及变化规律[D]. 丘珍珍.中国民航大学 2018
[2]航空发动机过渡态控制设计及优化方法研究[D]. 曹灿.南京航空航天大学 2018
[3]掺杂改性复合热障涂层组织与性能研究[D]. 汪倡.哈尔滨工程大学 2018
[4]等离子喷涂内送粉喷枪的设计及工艺优化[D]. 乔新义.中国农业机械化科学研究院 2014
[5]热障涂层界面失效与氧化层应力演变的关联研究[D]. 周长春.湘潭大学 2014
本文编号：3449923
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