热生长氧化层的生长机制及其力学性能表征分析
发布时间：2021-11-15 20:53
热障涂层作为一种耐高温、耐腐蚀的陶瓷防护材料,被广泛应用到航空发动机的高温部件,用来改善发动机的耐高温性能进而提高发动机的使用效率和使用寿命。剥落失效是制约热障涂层在高性能航空发动机安全应用的重要瓶颈,界面氧化是导致热障涂层剥落失效的第一大关键因素。在高温服役环境中,由于热障涂层界面氧化导致的TGO生长是诱发涂层剥落失效的主要原因之一。因此,准确预测热障涂层TGO的生长规律对理解热障涂层界面氧化失效至关重要。TGO的氧化生长改变了涂层体系的应力应变场,而目前由于对TGO的相关力学性能并不清楚,在分析涂层应力应变场的变化时不能有效的开展。所以为了解决这一关键问题,亟需对TGO的生长规律,微观形貌的演变规律以及TGO的力学性能进行深入的研究。基于此,本文的主要研究内容包括:1、不同制备工艺的涂层和高温合金材料在高温下TGO的生长规律以及微观形貌的分析。通过对不同材料氧化后的结果进行分析,我们发现不同制备工艺的涂层以及高温合金材料中,电子束物理气相沉积技术制备的涂层具有最优的抗氧化性能,Fe基合金材料的抗氧化性能最差,但是Fe基合金材料在高温氧化过程表面生成的TGO均匀致密,不易剥落。2、采...
【文章来源】：湘潭大学湖南省
【文章页数】：69 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
热障涂层的主要结构体系：(a)双层结构；(b)多层结构；(c)梯度结构
1.1 热障涂层的主要结构体系：(a) 双层结构；(b) 多层结构；(c) 梯度结层结构的热障涂层制备简单、耐热能力强，但由于各层材料之间热、很大的差异(例如：热膨胀系数，弹性模量)，所以在涂层经历过骤冷后会导致涂层内部的应力-应变场分布有较大的差异，而多层结构的热好的缓解涂层内部由于各层材料不同而导致的热力学性能的不匹配，抗氧化及热腐蚀能力；对于梯度结构的热障涂层而言，其相较于前两优势是消除了层状结构间的明显界面，使得涂层与基底间有一个很好，从而避免了热膨胀系数、热力学性能等不匹配造成的陶瓷层过早剥1.2 描述了双层结构的热障涂层。合金基底气冷陶瓷层粘结层
高温环境下多孔介质氧化锆陶瓷涂层是氧气的良导体，氧气通过陶瓷层向粘散，与粘接层中的 Al 元素发生化学反应，在陶瓷层与粘接层的界面处生成一长氧化层(TGO)，其厚度一般在 1-10 μm 之间，TGO 具有致密、氧离子扩散特点，进而隔绝金属和氧气的接触，阻止内部金属的进一步氧化，对合金基抗氧化防护作用[14]。但是当涂层长时间处于高温氧化气氛中时，TGO 在热动驱动下会向内侧生长，变厚，如图 1.3 所示。在 TGO 的生长过程中，通常会原因引起失效：(1) 由于 Al 元素参与氧化反应使得界面的 Al 元素被稀释，低，此时粘接层中的 Ni、Cr 等元素进一步氧化，形成大体积氧化物，如(Cr3、Ni(Cr，Al)2O4等，而在此处形成较大的应力[15]；(2) TGO的主要成分是Al2O3是一种强度低、韧性差的材料，使得界面发生弱化，但是一层致密 TGO 的以有效减缓 BC 层的氧化，提高涂层的抗氧化性能；(3) 连续生长的 TGO 中微孔洞和微裂纹，在受到较大的应力时，这些微孔洞和微裂纹会成核、长大，形成宏观裂纹[16]。由此可见，TGO 在热障涂层的应用中是一把“双刃剑”。用可以有效提高涂层的使用寿命，相反可能导致涂层寿命远低于其预期目标，正确理解热障涂层界面氧化机理就显得尤为重要。
【参考文献】：
期刊论文
[1]X射线衍射技术测量残余应力在研究生实验教学中的应用[J]. 耿红霞,王连红,李航飞. 实验室研究与探索. 2018(08)
[2]氧化铝薄层板拉曼光谱特性研究[J]. 欧阳雨,冯尚彩,李宝惠. 分析仪器. 2012(03)
[3]电子束物理气相沉积YSZ热障涂层热循环性能[J]. 于海涛,宋希文,牟仁德. 航空发动机. 2010(06)
[4]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)
[5]电子束物理气相沉积热障涂层技术研究进展[J]. 郭洪波,彭立全,宫声凯,徐惠彬. 热喷涂技术. 2009(02)
[6]热障涂层技术在航空发动机上的应用与发展[J]. 牟仁德,陆峰,何利民,贺世美,黄光宏. 热喷涂技术. 2009(01)
[7]脆性涂层/韧性基体材料在拉伸应变作用下的开裂行为[J]. 杨班权,陈光南,张坤,罗耕星,肖京华. 机械工程学报. 2008(05)
[8]热障涂层制备技术研究进展[J]. 牟仁德,何利民,陆峰,陶春虎. 机械工程材料. 2007(05)
[9]用纳米压痕法测量电沉积镍镀层的应力-应变关系[J]. 黄勇力,章莎,赵冠湘,周益春,蒋艳平. 湘潭大学自然科学学报. 2006(02)
[10]纳米压痕法测量电沉积镍镀层的残余应力[J]. 章莎,黄勇力,赵冠湘,周益春. 湘潭大学自然科学学报. 2006(01)
博士论文
[1]PS-PVD羽—柱状结构7YSZ热障涂层的制备与性能研究[D]. 陈文龙.广东工业大学 2017
[2]纳米压痕法表征金属薄膜材料的力学性能[D]. 马增胜.湘潭大学 2011
硕士论文
[1]基于数字图像相关技术热障涂层高温拉伸断裂测试分析[D]. 张人发.湘潭大学 2016
[2]用纳米压痕法表征薄膜的应力—应变关系[D]. 黄勇力.湘潭大学 2006
本文编号：3497473
【文章来源】：湘潭大学湖南省
【文章页数】：69 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
热障涂层的主要结构体系：(a)双层结构；(b)多层结构；(c)梯度结构
1.1 热障涂层的主要结构体系：(a) 双层结构；(b) 多层结构；(c) 梯度结层结构的热障涂层制备简单、耐热能力强，但由于各层材料之间热、很大的差异(例如：热膨胀系数，弹性模量)，所以在涂层经历过骤冷后会导致涂层内部的应力-应变场分布有较大的差异，而多层结构的热好的缓解涂层内部由于各层材料不同而导致的热力学性能的不匹配，抗氧化及热腐蚀能力；对于梯度结构的热障涂层而言，其相较于前两优势是消除了层状结构间的明显界面，使得涂层与基底间有一个很好，从而避免了热膨胀系数、热力学性能等不匹配造成的陶瓷层过早剥1.2 描述了双层结构的热障涂层。合金基底气冷陶瓷层粘结层
高温环境下多孔介质氧化锆陶瓷涂层是氧气的良导体，氧气通过陶瓷层向粘散，与粘接层中的 Al 元素发生化学反应，在陶瓷层与粘接层的界面处生成一长氧化层(TGO)，其厚度一般在 1-10 μm 之间，TGO 具有致密、氧离子扩散特点，进而隔绝金属和氧气的接触，阻止内部金属的进一步氧化，对合金基抗氧化防护作用[14]。但是当涂层长时间处于高温氧化气氛中时，TGO 在热动驱动下会向内侧生长，变厚，如图 1.3 所示。在 TGO 的生长过程中，通常会原因引起失效：(1) 由于 Al 元素参与氧化反应使得界面的 Al 元素被稀释，低，此时粘接层中的 Ni、Cr 等元素进一步氧化，形成大体积氧化物，如(Cr3、Ni(Cr，Al)2O4等，而在此处形成较大的应力[15]；(2) TGO的主要成分是Al2O3是一种强度低、韧性差的材料，使得界面发生弱化，但是一层致密 TGO 的以有效减缓 BC 层的氧化，提高涂层的抗氧化性能；(3) 连续生长的 TGO 中微孔洞和微裂纹，在受到较大的应力时，这些微孔洞和微裂纹会成核、长大，形成宏观裂纹[16]。由此可见，TGO 在热障涂层的应用中是一把“双刃剑”。用可以有效提高涂层的使用寿命，相反可能导致涂层寿命远低于其预期目标，正确理解热障涂层界面氧化机理就显得尤为重要。
【参考文献】：
期刊论文
[1]X射线衍射技术测量残余应力在研究生实验教学中的应用[J]. 耿红霞,王连红,李航飞. 实验室研究与探索. 2018(08)
[2]氧化铝薄层板拉曼光谱特性研究[J]. 欧阳雨,冯尚彩,李宝惠. 分析仪器. 2012(03)
[3]电子束物理气相沉积YSZ热障涂层热循环性能[J]. 于海涛,宋希文,牟仁德. 航空发动机. 2010(06)
[4]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)
[5]电子束物理气相沉积热障涂层技术研究进展[J]. 郭洪波,彭立全,宫声凯,徐惠彬. 热喷涂技术. 2009(02)
[6]热障涂层技术在航空发动机上的应用与发展[J]. 牟仁德,陆峰,何利民,贺世美,黄光宏. 热喷涂技术. 2009(01)
[7]脆性涂层/韧性基体材料在拉伸应变作用下的开裂行为[J]. 杨班权,陈光南,张坤,罗耕星,肖京华. 机械工程学报. 2008(05)
[8]热障涂层制备技术研究进展[J]. 牟仁德,何利民,陆峰,陶春虎. 机械工程材料. 2007(05)
[9]用纳米压痕法测量电沉积镍镀层的应力-应变关系[J]. 黄勇力,章莎,赵冠湘,周益春,蒋艳平. 湘潭大学自然科学学报. 2006(02)
[10]纳米压痕法测量电沉积镍镀层的残余应力[J]. 章莎,黄勇力,赵冠湘,周益春. 湘潭大学自然科学学报. 2006(01)
博士论文
[1]PS-PVD羽—柱状结构7YSZ热障涂层的制备与性能研究[D]. 陈文龙.广东工业大学 2017
[2]纳米压痕法表征金属薄膜材料的力学性能[D]. 马增胜.湘潭大学 2011
硕士论文
[1]基于数字图像相关技术热障涂层高温拉伸断裂测试分析[D]. 张人发.湘潭大学 2016
[2]用纳米压痕法表征薄膜的应力—应变关系[D]. 黄勇力.湘潭大学 2006
本文编号：3497473
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