稀土氧化物热障涂层的制备及抗CMAS性能研究
发布时间：2021-04-01 02:07
传统YSZ（Y2O3稳定的ZrO2）热障涂层材料长期工作温度不能超过1200℃,在更高温度下将会发生相转变以及严重的烧结。为了适应燃气轮机更高的工作温度需求,研发抗高温烧结、低热导率、抗热震性能更好以及耐腐蚀性能更强的新型热障涂层材料有着重要意义。Sm2(Zr0.7Ce0.3)2O7（SZ7C3）与Gd2(Zr0.7Ce0.3)2O7（GZ7C3）稀土氧化物热障涂层材料因其表现出非常低的热导率以及高温抗烧结特点,是一种具有应用前景的新型TBC（Thermal Barrier Coating）材料。本文研究了APS（atmospheric plasma spraying）制备稀土氧化物SZ7C3与GZ7C3热障涂层的方法和性能,并对涂层在高温循环和CMAS（CaO-MgO-Al2O
【文章来源】：武汉理工大学湖北省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：98 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
燃气轮机的结构
2设计大幅度提高涡轮进口温度也极度困难，且在表面喷涂热障涂层容易对气膜孔造成堵塞，也限制了其突破性发展。因而使用热障涂层技术来降低叶片工作温度已受到广泛关注。热障涂层（Thermalbarriercoating,TBC）是一种由金属基体、粘结层以及陶瓷层构成的热防护体系。因陶瓷材料具有耐高温、低导热性和耐侵蚀的优点，以涂层的形式通过粘结层与基体结合，可以将金属基体与高温气体阻隔开来，从而起到对热端部件高温防护作用，增加其工作期限[8,9]。相比于开发新型高温合金以及涡轮叶片气膜冷却孔设计，TBC的研究有着低成本，工艺简单的优势，因此其在先进发动机热端部件的高温隔热应用中有着非常重要的意义与发展前景。1.2热障涂层研究综述1.2.1热障涂层发展现状上世纪中期就已经有关于热障涂层研究的报道，最早的TBC材料为CaO-ZrO2/NiCr[1,10]。60年代以后，TBC技术开始对发动机叶片防护进行研究与应用。到了70年代中期，ZrO2-12Y2O3/NiCrAlY材料作为TBC在J-75发动机叶片上使用，这是TBC首次应用在燃气轮机叶片上，具有标志性意义。此后，TBC逐渐实现工业化，在航空航天发动机防护方面的应用更为突出。图1.2典型的热障涂层体系结构典型的热障涂层体系示意图如图1.2所示，包括：（1）高温合金基体（Substrate），通常选用镍基或钴基高温合金材料，承载结构负荷；（2）金属粘结层（Bondcoat），提高陶瓷层与金属基体的相结合性，并具有耐氧化侵蚀的作用；（3）表面陶瓷
4般采用低压或真空等离子喷涂、物理气相沉积或者超音速火焰喷涂等方法来制备。MCrAlY涂层具备很好的耐氧化与耐腐蚀性能且塑性极好。高温服役过程中，MCrAlY中的Al将向外扩散，在粘结层表面将会被氧化，产生致密的Al2O3保护层（也即所谓的TGO），致密的氧化铝层具有较低的氧扩散能力和很好的粘附性，从而通过防止氧对粘结层的继续侵蚀来保护基体[12,13]。高含量的Al虽然能形成致密的保护膜但也会使涂层的脆性增大，因此通常MCrAlY中的Al含量控制在8~12wt.%。MCrAlY中的Cr的作用是提高合金的耐氧化及抗硫腐蚀能力。微量稀土元素Y有着氧化物钉扎和细化晶粒的效果，使得TGO与基体粘结性更好，对涂层的使用寿命的延长具有显著意义。此外，MCrAlY中还可以加入像Si、Hf、Ta、Zr等合金元素来进一步提高涂层的耐氧化性[14]。图1.3燃气轮机工作温度发展1.2.2.3表面陶瓷层材料TBC表面陶瓷层材料主要是利用陶瓷材料具有很好的高温耐热耐蚀性和低热导率来保护合金基体。因此，陶瓷材料的选择必须具有以下特点[1]：（1）高熔点；（2）高温不发生相变；（3）低热导率；（4）热膨胀系数接近于合金基体；（5）具有高温低烧结率及耐腐蚀能力；（6）力学性能优异等。因此可用于TBC的表面陶瓷层材料极其有限，迄今，能够满足以上所有特点的单一陶瓷材料未曾发现。在众多陶瓷材料中，因氧化锆具有高熔点、低热导、热稳定性好以及与高温合金基体热膨胀系数接近等特点，成为目前在TBC体系中应用最好的材料。目前，8wt.%氧化钇部分稳定的氧化锆（8YSZ）已被普遍地应用在热障涂层表面陶瓷材料中[15,16]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]高推重比发动机热障涂层应用现状分析[J]. 田伟,何爱杰,钟燕,牟仁德,张甲. 燃气涡轮试验与研究. 2016(05)
[2]纳米8YSZ粉的热处理对等离子喷涂涂层热震性能的影响[J]. 陈涛,惠宇,胥佳颖,邹兵林,曹学强,赵修建. 中国稀土学报. 2016(02)
[3]叶片电子束物理气相沉积热障涂层制备及其对叶片高温合金基体力学性能影响研究[J]. 刘辉,张卫红,高浚,刘国庆. 热喷涂技术. 2016(01)
[4]热障涂层技术在航空发动机涡轮叶片上的应用[J]. 李钊,蔡文波. 航空发动机. 2015(05)
[5]镍基单晶高温合金研究进展[J]. 孙晓峰,金涛,周亦胄,胡壮麒. 中国材料进展. 2012(12)
[6]涡轮叶片气膜孔加工技术及其发展[J]. 朱海南,齐歆霞. 航空制造技术. 2011(13)
[7]热障涂层在航空发动机涡轮叶片上的应用研究[J]. 张志强,宋文兴,陆海鹰. 航空发动机. 2011(02)
[8]热障涂层的破坏机理与寿命预测[J]. 周益春,刘奇星,杨丽,吴多锦,毛卫国. 固体力学学报. 2010(05)
[9]先进航空发动机热障涂层技术研究进展[J]. 郭洪波,宫声凯,徐惠彬. 中国材料进展. 2009(Z2)
[10]空位对Sm2Zr2O7陶瓷热膨胀系数的影响[J]. 徐强,王富耻,朱时珍,张红松,刘玲,万春磊,瞿志学,潘伟. 稀有金属材料与工程. 2007(S2)
硕士论文
[1]R2Zr2O7型稀土锆酸盐热障涂层的组织结构及CMAS腐蚀行为[D]. 张维亨.哈尔滨工业大学 2012
本文编号：3112491
【文章来源】：武汉理工大学湖北省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：98 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
燃气轮机的结构
2设计大幅度提高涡轮进口温度也极度困难，且在表面喷涂热障涂层容易对气膜孔造成堵塞，也限制了其突破性发展。因而使用热障涂层技术来降低叶片工作温度已受到广泛关注。热障涂层（Thermalbarriercoating,TBC）是一种由金属基体、粘结层以及陶瓷层构成的热防护体系。因陶瓷材料具有耐高温、低导热性和耐侵蚀的优点，以涂层的形式通过粘结层与基体结合，可以将金属基体与高温气体阻隔开来，从而起到对热端部件高温防护作用，增加其工作期限[8,9]。相比于开发新型高温合金以及涡轮叶片气膜冷却孔设计，TBC的研究有着低成本，工艺简单的优势，因此其在先进发动机热端部件的高温隔热应用中有着非常重要的意义与发展前景。1.2热障涂层研究综述1.2.1热障涂层发展现状上世纪中期就已经有关于热障涂层研究的报道，最早的TBC材料为CaO-ZrO2/NiCr[1,10]。60年代以后，TBC技术开始对发动机叶片防护进行研究与应用。到了70年代中期，ZrO2-12Y2O3/NiCrAlY材料作为TBC在J-75发动机叶片上使用，这是TBC首次应用在燃气轮机叶片上，具有标志性意义。此后，TBC逐渐实现工业化，在航空航天发动机防护方面的应用更为突出。图1.2典型的热障涂层体系结构典型的热障涂层体系示意图如图1.2所示，包括：（1）高温合金基体（Substrate），通常选用镍基或钴基高温合金材料，承载结构负荷；（2）金属粘结层（Bondcoat），提高陶瓷层与金属基体的相结合性，并具有耐氧化侵蚀的作用；（3）表面陶瓷
4般采用低压或真空等离子喷涂、物理气相沉积或者超音速火焰喷涂等方法来制备。MCrAlY涂层具备很好的耐氧化与耐腐蚀性能且塑性极好。高温服役过程中，MCrAlY中的Al将向外扩散，在粘结层表面将会被氧化，产生致密的Al2O3保护层（也即所谓的TGO），致密的氧化铝层具有较低的氧扩散能力和很好的粘附性，从而通过防止氧对粘结层的继续侵蚀来保护基体[12,13]。高含量的Al虽然能形成致密的保护膜但也会使涂层的脆性增大，因此通常MCrAlY中的Al含量控制在8~12wt.%。MCrAlY中的Cr的作用是提高合金的耐氧化及抗硫腐蚀能力。微量稀土元素Y有着氧化物钉扎和细化晶粒的效果，使得TGO与基体粘结性更好，对涂层的使用寿命的延长具有显著意义。此外，MCrAlY中还可以加入像Si、Hf、Ta、Zr等合金元素来进一步提高涂层的耐氧化性[14]。图1.3燃气轮机工作温度发展1.2.2.3表面陶瓷层材料TBC表面陶瓷层材料主要是利用陶瓷材料具有很好的高温耐热耐蚀性和低热导率来保护合金基体。因此，陶瓷材料的选择必须具有以下特点[1]：（1）高熔点；（2）高温不发生相变；（3）低热导率；（4）热膨胀系数接近于合金基体；（5）具有高温低烧结率及耐腐蚀能力；（6）力学性能优异等。因此可用于TBC的表面陶瓷层材料极其有限，迄今，能够满足以上所有特点的单一陶瓷材料未曾发现。在众多陶瓷材料中，因氧化锆具有高熔点、低热导、热稳定性好以及与高温合金基体热膨胀系数接近等特点，成为目前在TBC体系中应用最好的材料。目前，8wt.%氧化钇部分稳定的氧化锆（8YSZ）已被普遍地应用在热障涂层表面陶瓷材料中[15,16]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]高推重比发动机热障涂层应用现状分析[J]. 田伟,何爱杰,钟燕,牟仁德,张甲. 燃气涡轮试验与研究. 2016(05)
[2]纳米8YSZ粉的热处理对等离子喷涂涂层热震性能的影响[J]. 陈涛,惠宇,胥佳颖,邹兵林,曹学强,赵修建. 中国稀土学报. 2016(02)
[3]叶片电子束物理气相沉积热障涂层制备及其对叶片高温合金基体力学性能影响研究[J]. 刘辉,张卫红,高浚,刘国庆. 热喷涂技术. 2016(01)
[4]热障涂层技术在航空发动机涡轮叶片上的应用[J]. 李钊,蔡文波. 航空发动机. 2015(05)
[5]镍基单晶高温合金研究进展[J]. 孙晓峰,金涛,周亦胄,胡壮麒. 中国材料进展. 2012(12)
[6]涡轮叶片气膜孔加工技术及其发展[J]. 朱海南,齐歆霞. 航空制造技术. 2011(13)
[7]热障涂层在航空发动机涡轮叶片上的应用研究[J]. 张志强,宋文兴,陆海鹰. 航空发动机. 2011(02)
[8]热障涂层的破坏机理与寿命预测[J]. 周益春,刘奇星,杨丽,吴多锦,毛卫国. 固体力学学报. 2010(05)
[9]先进航空发动机热障涂层技术研究进展[J]. 郭洪波,宫声凯,徐惠彬. 中国材料进展. 2009(Z2)
[10]空位对Sm2Zr2O7陶瓷热膨胀系数的影响[J]. 徐强,王富耻,朱时珍,张红松,刘玲,万春磊,瞿志学,潘伟. 稀有金属材料与工程. 2007(S2)
硕士论文
[1]R2Zr2O7型稀土锆酸盐热障涂层的组织结构及CMAS腐蚀行为[D]. 张维亨.哈尔滨工业大学 2012
本文编号：3112491
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