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基于磷光测温技术的智能热障涂层研究进展

航空学报 2023年

作者：尚勇杨惠君冯阳张长桢裴延玲宫声凯北京航空航天大学前沿科学技术创新研究院

获得缺乏涡轮叶片涂层表面温度分布数据是当前航空发动机材料设计面临的关键问题，数据缺乏严重限制了我国先进飞行器的性能提升。热障涂层（涡轮叶片用）添加少量稀土发光元素后可成为一种新型智能材料——智能热障涂层，是目前实现发... 详细信息

获得缺乏涡轮叶片涂层表面温度分布数据是当前航空发动机材料设计面临的关键问题，数据缺乏严重限制了我国先进飞行器的性能提升。热障涂层（涡轮叶片用）添加少量稀土发光元素后可成为一种新型智能材料——智能热障涂层，是目前实现发动机服役叶片涂层温度分布测定最有潜力的方法。本文详细介绍了智能热障涂层在线（热障传感涂层）/离线（热历史涂层）测温的原理和方法。基于不同智能涂层的制备工艺，阐述了近年来利用智能热障涂层技术对航空发动机热端部件的表面温度分布以及界面温度梯度检测的研究进展。基于航空发动机不同热端部件的测温需求，总结了目前国内外智能热障涂层测温技术的实际工业应用。并且基于现有稀土元素掺杂对热障涂层本征性能的影响，说明了智能热障涂层实际应用的可行性。最后指出了该技术实际应用于航空发动机热端部件测温仍需解决的问题，并对其发展方向进行展望。

关键词：航空发动机涡轮叶片非接触式测温热像磷光材料稀土离子在线/离线温度测量

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涂层/高温合金界面行为及调控研究进展

金属学报 2023年第9期59卷 1097-1108页

作者：宫声凯刘原耿粒伦茹毅赵文月裴延玲李树索北京航空航天大学前沿科学技术创新研究院北京100191 天目山实验室北京航空航天大学航空发动机学院北京100191 北京航空航天大学材料科学与工程学院北京100191

防护涂层技术对于提高涡轮叶片材料抗氧化腐蚀性能、保证涡轮叶片安全服役具有至关重要的作用,然而,防护涂层与高温合金间有本征的物理、化学性能不匹配性,其界面反应会导致界面组织退化,合金与涂层性能下降,成为制约涂层应用的关键因... 详细信息

防护涂层技术对于提高涡轮叶片材料抗氧化腐蚀性能、保证涡轮叶片安全服役具有至关重要的作用,然而,防护涂层与高温合金间有本征的物理、化学性能不匹配性,其界面反应会导致界面组织退化,合金与涂层性能下降,成为制约涂层应用的关键因素。本文概述了典型涂层/高温合金界面组织演变与扩散行为及其影响因素,讨论了界面行为对含涂层高温合金组织稳定性和力学性能的影响,从涂层组织成分优化、界面阻扩散层设计和新型界面稳定涂层研发3个方面介绍了涂层/合金界面的调控方法。总结了涂层/高温合金界面相容性的关键特征,并提出未来应在界面对涂层/合金性能的影响规律与机制、调控界面的多手段联用、计算辅助涂层设计等方面开展系统性研究。

关键词：高温合金防护涂层界面扩散组织演变力学性能

电子束物理气相沉积叶片热障涂层工艺稳定性提升技术研究

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航空制造技术 2023年第1期66卷 40-45,52页

作者：滕晓丹彭徽李刘合郭洪波宫声凯北京航空航天大学航空发动机研究院北京100191 北京航空航天大学前沿科学技术创新研究院北京100191 高温结构材料与涂层技术工信部重点实验室北京100191 北京航空航天大学机械工程及自动化学院北京100191 北京航空航天大学材料科学与工程学院北京100191

电子束物理气相沉积(EB-PVD)是航空发动机涡轮叶片涂层的先进制备技术。EB-PVD的工艺稳定性对于叶片涂层质量及批产一致性至关重要。本研究针对我国先进航空发动机对高性能热障涂层的应用需求,研制出了EB-PVD自动蒸发沉积技术和叶片多... 详细信息

电子束物理气相沉积(EB-PVD)是航空发动机涡轮叶片涂层的先进制备技术。EB-PVD的工艺稳定性对于叶片涂层质量及批产一致性至关重要。本研究针对我国先进航空发动机对高性能热障涂层的应用需求,研制出了EB-PVD自动蒸发沉积技术和叶片多自由度涂层沉积技术。工艺验证和性能测试结果表明,所研制的自动蒸发沉积技术可使涂层过程靶材消耗均匀稳定,涂层质量良好;双坩埚结构配置可进一步满足新一代超高温双层结构热障涂层工艺需求。所研制的多自由度沉积技术有助于提升叶片涂层厚度均匀性,改善缘板涂层质量,实现涂层厚度和微观组织的精确调控。利用上述工艺制备的涂层试片抗燃气热冲击性能优异,模拟叶片缘板位置涂层寿命与模拟叶身位置涂层寿命相近。

关键词：电子束物理气相沉积热障涂层工艺稳定性微观组织厚度均匀性燃气热冲击

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梯度热障涂层的设计

航空学报 2002年第5期23卷 467-472页

作者：郭洪波宫声凯徐惠彬北京航空航天大学材料科学与工程学院北京100083

采用电子束物理气相沉积方法 (EB PVD)制备了梯度热障涂层 ,其结构设计为NiCoCrAlY粘结层 /Al2 O3 YSZ过渡层 /YSZ陶瓷层。YSZ陶瓷层的结构为柱状晶结构 ,Al2 O3 YSZ梯度过渡层为梯度微孔结构。采用有限元方法对梯度热障涂层进行热应... 详细信息

采用电子束物理气相沉积方法 (EB PVD)制备了梯度热障涂层 ,其结构设计为NiCoCrAlY粘结层 /Al2 O3 YSZ过渡层 /YSZ陶瓷层。YSZ陶瓷层的结构为柱状晶结构 ,Al2 O3 YSZ梯度过渡层为梯度微孔结构。采用有限元方法对梯度热障涂层进行热应力分析 ,优化了Al2 O3 YSZ梯度过渡层的组成。计算结果表明 ,梯度涂层的内应力显著降低 ,而且界面及其附近应力和应变变化较平缓。过渡层厚度的增加有利于降低涂层内应力和缓和涂层界面处的应力集中。

关键词：电子束物理气相沉积有限元热传导发动机技术设计

DZ125合金再涂覆CoCrAlY涂层界面互扩散行为研究

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金属学报 2013年第2期49卷 229-235页

作者：秦磊彭徽郭洪波宫声凯徐惠彬北京航空航天大学材料科学与工程学院北京100191

采用电子束物理气相沉积(EB-PVD)方法在DZ125镍基高温合金上制备了CoCrAlY涂层,经过高温氧化扩散处理后,通过物理方法去除不同深度的涂层,采用相同的工艺重新制备了CoCrAlY涂层.研究了高温扩散过程中再涂覆CoCrAlY涂层与DZ125合金基体... 详细信息

采用电子束物理气相沉积(EB-PVD)方法在DZ125镍基高温合金上制备了CoCrAlY涂层,经过高温氧化扩散处理后,通过物理方法去除不同深度的涂层,采用相同的工艺重新制备了CoCrAlY涂层.研究了高温扩散过程中再涂覆CoCrAlY涂层与DZ125合金基体界面的互扩散行为及涂层的高温氧化行为.结果表明,去除涂层的深度对再涂覆涂层与合金界面的扩散行为以及涂层的高温氧化性能有重要影响.再涂覆涂层经高温氧化后形成的贫Al区厚度均小于首次涂覆涂层,且去除的深度越浅,贫Al区的厚度越薄.当涂层去除至互扩散区(IDZ)底部时,再涂覆涂层经高温氧化后形成的IDZ厚度与首次涂覆涂层相当,且氧化膜厚度较薄.

关键词： DZ125合金再涂覆 CoCrAlY涂层互扩散

应力对La_(0.83)Sr_(0.17)MnO_3薄膜输运性能的影响

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物理学报 2006年第3期55卷 1435-1440页

作者：江阔李合非宫声凯北京航空航天大学材料学院北京100083

采用溶胶-凝胶方法在Si(111)上制备了LSMO(x=0.17)薄膜.研究了块体材料和不同厚度薄膜R-T曲线、红外光谱和X射线衍射.结果表明,LSMO薄膜属于正交晶体结构,薄膜取向与膜厚度有关,当膜厚度为450nm或680nm时,主要取向〈200〉,而膜厚度为90... 详细信息

采用溶胶-凝胶方法在Si(111)上制备了LSMO(x=0.17)薄膜.研究了块体材料和不同厚度薄膜R-T曲线、红外光谱和X射线衍射.结果表明,LSMO薄膜属于正交晶体结构,薄膜取向与膜厚度有关,当膜厚度为450nm或680nm时,主要取向〈200〉,而膜厚度为900nm时取向为〈020〉:根据离子对相互作用能和谐振子模型,得到了红外吸收与Mn—O—Mn键长和键角关系式,600cm-1附近红外吸收与晶格常数b的变化有关;块体与薄膜的金属—绝缘体转变温度(TMI)存在较大差别,薄膜转变温度显著低于块体,并与厚度有一定关系.认为是LSMO薄膜中的应力诱导了晶格常数变化,引起键角改变及JT效应是转变温度变化的主要原因.

关键词：单晶硅晶格常数金属-绝缘体转变温度应力诱导

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横向梯度温度场下热障涂层的失效分析

中国腐蚀与防护学报 2013年第5期33卷 400-406页

作者：陈琛郭洪波宫声凯中航商用航空发动机有限责任公司上海200241 北京航空航天大学材料科学与工程学院北京100083

采用热障涂层服役环境性能实验模拟器,利用电化学阻抗谱针对横向梯度温度场条件下的热障涂层结构变化开展研究,并结合有限元方法对热力耦合作用下热障涂层的失效机理进行了分析,发现当管状试样处于两端约束受力状态下,加热区边缘为涂层... 详细信息

采用热障涂层服役环境性能实验模拟器,利用电化学阻抗谱针对横向梯度温度场条件下的热障涂层结构变化开展研究,并结合有限元方法对热力耦合作用下热障涂层的失效机理进行了分析,发现当管状试样处于两端约束受力状态下,加热区边缘为涂层易发生开裂部位。

关键词：热障涂层温度梯度失效模式电化学阻抗有限元

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熔盐环境下热障涂层的等温热腐蚀行为研究

材料热处理学报 2011年第11期32卷 123-127,134页

作者：白致铭郭磊梁天权郭洪波宫声凯北京航空航天大学材料科学与工程学院北京100191

采用电子束物理气相沉积(EB-PVD)在镍基高温合金表面制备了YSZ/NiCoCrAlY双层结构热障涂层,研究了其在熔盐环境下的等温热腐蚀行为。结果表明,涂层在加热过程中发生相变引起体积收缩,导致涂层内部产生微裂纹。熔盐填充涂层内微裂纹和柱... 详细信息

采用电子束物理气相沉积(EB-PVD)在镍基高温合金表面制备了YSZ/NiCoCrAlY双层结构热障涂层,研究了其在熔盐环境下的等温热腐蚀行为。结果表明,涂层在加热过程中发生相变引起体积收缩,导致涂层内部产生微裂纹。熔盐填充涂层内微裂纹和柱状晶间隙,降低了涂层的应变容限,引起涂层内应力升高。同时,熔盐促使热生长氧化层(TGO)碱性溶解,产生疏松多孔的氧化物层,导致TGO层加速增厚。在热应力作用下,疏松层氧化物破碎,最终导致涂层剥落。

关键词：热障涂层电子束物理气相沉积熔盐等温热腐蚀热生长氧化层(TGO)

EB-PVD热障涂层热循环性能评价方法研究

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稀有金属材料与工程 2013年第2期42卷 340-344页

作者：陈立强宫声凯徐惠彬中国石油大学(北京) 北京102249 北京航空航天大学北京100083

制备8批次EB-PVD双层结构热障涂层试样,采用循环加热快速冷却实验装置模拟热障涂层服役环境,开展了热障涂层试样在不同热循环保温时间条件下的热循环性能评价实验,采用指数下降的数学模型对热循环实验数据进行拟合分析,获得了表征热障... 详细信息

制备8批次EB-PVD双层结构热障涂层试样,采用循环加热快速冷却实验装置模拟热障涂层服役环境,开展了热障涂层试样在不同热循环保温时间条件下的热循环性能评价实验,采用指数下降的数学模型对热循环实验数据进行拟合分析,获得了表征热障涂层试样静态氧化性能和热疲劳性能的物理量。结果表明,在本实验工艺条件下制备的不同批次热障涂层试样的静态氧化性能和热疲劳性能具有不同的匹配关系,热障涂层试样静态氧化性能总体估计值为(677±194)h,热疲劳性能总体估计值为(6789±1818)次。

关键词： EB-PVD 热障涂层热循环高温氧化热疲劳