界面氧化对等离子喷涂热障涂层失效行为的影响研究

发布时间：2018-04-30 22:38

本文选题：超音速火焰喷涂 + 热障涂层　；参考：《北京理工大学》2015年博士论文

【摘要】：本文针对航空发动机和燃气轮机热端部件高温防护涂层的工况条件及使用要求,采用超音速火焰喷涂和等离子喷涂技术制备了热障涂层,探讨了粘结层成分对粘结层/陶瓷层界面热生长氧化物(TGO)生长的影响;研究了预氧化处理对TGO的生长速度和涂层高温氧化行为的影响;在阐明TGO演化规律的基础上,采用热循环试验和热冲击试验考核了热障涂层的使用寿命,研究了涂层中裂纹萌生扩展及残余应力变化规律,并分析了热障涂层的失效行为。主要研究结果如下:采用超音速火焰喷涂技术可制备得到致密的MCrAlY粘结层。在粘结层氧化过程中,TGO的增厚速度由元素扩散过程控制。真空预处理过程形成了单相大晶粒尺寸?-Al2O3膜,显著提高了热障涂层的抗氧化能力。低Al含量粘结层在高温环境下过早的形成了连续尖晶石组织和裂纹,但通过真空预处理过程可大幅度提高其抗氧化能力。预处理过程对涂层抗氧化性能的影响大于元素的作用。TGO在使用过程中因热失配形成了残余压应力,其应力幅值和粘结层的热膨胀系数有关。随着TGO厚度的增加,残余应力的来源从陶瓷层/粘结层热失配逐渐转变为TGO/粘结层热失配。静态氧化过程中,TBCs中残余应力值无显著变化。热循环和热冲击条件下,残余应力值随试验次数的增加逐步降低,应力值变化幅度和涂层中裂纹的数量有关,因此,通过无损测试残余应力值可间接预测热障涂层的使用寿命。粘结层中的β相的消耗导致TGO附近Al贫乏区的形成,其宽度随氧化时间呈抛物线规律,随TGO厚度呈线性关系。Al含量的提高和预处理过程均可减缓Al贫乏区的增宽速度,热循环条件加速了其增宽过程,β相的消耗速度可用于表征粘结层的抗氧化能力。Al元素氧化引起的β相转变导致拉应力的形成,造成粘结层内部形成孔洞并可能引起粘结层内氧化。热障涂层在高温环境下形成的裂纹集中于TGO附近,裂纹的扩展链接导致了陶瓷层的剥落失效,失效位置位于TGO/陶瓷层界面,且偏向陶瓷层一侧。试样的形状尺寸对热障涂层的使用寿命有显著的影响,薄片试样因基体材料的弯曲变形,加速了氧化和裂纹形成扩展过程,会降低其使用寿命。热障涂层在静态氧化、热循环和热冲击条件下具有相近的氧化机理和裂纹萌生扩展过程。但在热循环条件下,TBCs的抗氧化能力较差,TGO增厚速度和β相的消耗速度更快,形成的尖晶石组织更多,裂纹数量更多且扩展速度更快。与静态氧化和热冲击相比,更易失效,因此,采用热循环试验可以更有效地考核热障涂层性能的优劣。
[Abstract]:In this paper , the thermal barrier coating is prepared by supersonic flame spraying and plasma spraying technology , and the influence of adhesion layer composition on the growth rate of thermal barrier coating and the thermal expansion coefficient of the coating are studied .

【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG174.4

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