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热障涂层热力耦合条件下的应力仿真计算

材料工程 2024年 162-172页

作者：刘德林薛齐齐杨文慧牟仁德何利民田军胡风雪中国航发北京航空材料研究院航空材料先进腐蚀与防护重点实验室北京市计算中心有限公司航空工业失效分析中心

有限元模拟是研究热障涂层（thermal barrier coatings, TBCs）界面处热生长氧化层（thermally grown oxides,TGO）应力演变的有效手段之一，可为探索TBCs失效机制提供理论支撑。采用先进的热障涂层多因素耦合设备对热障涂层圆管试样模... 详细信息

有限元模拟是研究热障涂层（thermal barrier coatings, TBCs）界面处热生长氧化层（thermally grown oxides,TGO）应力演变的有效手段之一，可为探索TBCs失效机制提供理论支撑。采用先进的热障涂层多因素耦合设备对热障涂层圆管试样模拟发动机工况进行热力耦合循环实验和热循环实验。利用有限元软件ABAQUS对包含真实初始TGO形貌的热障涂层进行有限元建模，分析实验过程中TGO的应力和变形规律。结果表明：在不考虑TGO及界面开裂的情况下，无论是热力耦合模型还是热循环模型，随着循环次数的增加，Mises应力均增加；加热过程中TGO受拉，冷却过程中TGO受压；加热过程的应力均远小于冷却至室温时的应力。经过相同的循环次数，热力耦合模型中的应力值均高于热循环模型中的应力值。经过20,45,70次热循环后，冷却至室温时，TGO应力分别达到2.85,3.65,3.55 GPa，而经过相同次数的热力耦合循环后，冷却至室温时，相同位置的TGO应力分别达到4.01,5.0,4.81 GPa。与热循环相比，在热力耦合条件下，经过相同循环次数冷却至室温时的TGO应力显著增加。

关键词：数值模拟热障涂层热力耦合有限元应力

Sc_(2)O_(3)和Y_(2)O_(3)复合掺杂ZrO_(2)热障涂层陶瓷材料的组织结构与力学性能

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材料工程 2024年第6期52卷 139-146页

作者：王志刚刘仍谦谢敏张永和王炫力宋希文常振东刘德林牟仁德内蒙古科技大学材料科学与工程学院内蒙古包头014010 轻稀土资源绿色提取与高效利用教育部重点实验室(内蒙古科技大学) 内蒙古包头014010 中国航发北京航空材料研究院北京100095

质量分数为7±1%氧化钇部分稳定氧化锆(7YSZ)是广泛应用的热障涂层陶瓷材料。然而,其在1200℃以上长期服役存在相稳定性差、烧结加剧和力学性能下降等弊端。因此,本工作提出新型Sc_(2)O_(3)-Y_(2)O_(3)协同掺杂ZrO_(2)热障涂层陶瓷材料... 详细信息

质量分数为7±1%氧化钇部分稳定氧化锆(7YSZ)是广泛应用的热障涂层陶瓷材料。然而,其在1200℃以上长期服役存在相稳定性差、烧结加剧和力学性能下降等弊端。因此,本工作提出新型Sc_(2)O_(3)-Y_(2)O_(3)协同掺杂ZrO_(2)热障涂层陶瓷材料,采用固相合成法制备了摩尔分数为7.5%Sc_(2)O_(3)-x%Y_(2)O_(3)-(92.5-x)%ZrO_(2)(x=0,0.1,0.2,0.3)陶瓷。通过X射线衍射仪(XRD)、场发射扫描电镜(SEM)等手段,重点探究Y_(2)O_(3)掺杂含量对高温固相合成陶瓷材料的微观组织结构演变行为以及维氏硬度、断裂韧性、弹性模量和三点抗弯强度等力学性能的影响规律。结果表明:Sc_(2)O_(3)-Y_(2)O_(3)复合掺杂ZrO_(2)陶瓷材料经1450℃×3.5 h高温烧结的致密度大于97%,主要由四方相结构组成,该材料的维氏硬度、弹性模量、断裂韧性和三点抗弯强度与传统8YSZ相当,分别为13~14 GPa,211~214 GPa,6.5~7.0 MPa·m^(1/2),520~850 MPa之间;断裂机制主要为穿晶断裂和沿晶断裂的混合方式,其中以穿晶断裂为主导。Sc_(2)O_(3)-Y_(2)O_(3)复合掺杂ZrO_(2)陶瓷可作为一种潜在的高温热障涂层陶瓷材料。

关键词：热障涂层稀土掺杂氧化锆氧化钪微观组织力学性能

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ScO和YO复合掺杂ZrO热障涂层陶瓷材料的组织结构与力学性能

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材料工程 2024年

作者：王志刚刘仍谦谢敏张永和王炫力宋希文常振东刘德林牟仁德内蒙古科技大学材料科学与工程学院轻稀土资源绿色提取与高效利用教育部重点实验室(内蒙古科技大学) 中国航发北京航空材料研究院

质量分数为7±1%氧化钇部分稳定氧化锆(7YSZ)是广泛应用的热障涂层陶瓷材料。然而,其在1200℃以上长期服役存在相稳定性差、烧结加剧和力学性能下降等弊端。因此,本工作提出新型Sc2O3-Y2O3协同掺杂ZrO2热障涂层陶瓷材料,采用固相合成法... 详细信息

质量分数为7±1%氧化钇部分稳定氧化锆(7YSZ)是广泛应用的热障涂层陶瓷材料。然而,其在1200℃以上长期服役存在相稳定性差、烧结加剧和力学性能下降等弊端。因此,本工作提出新型Sc2O3-Y2O3协同掺杂ZrO2热障涂层陶瓷材料,采用固相合成法制备了摩尔分数为7.5%Sc2O3-x%Y2O3-(92.5-x)%ZrO2(x=0,0.1,0.2,0.3)陶瓷。通过X射线衍射仪(XRD)、场发射扫描电镜(SEM)等手段,重点探究Y2O3掺杂含量对高温固相合成陶瓷材料的微观组织结构演变行为以及维氏硬度、断裂韧性、弹性模量和三点抗弯强度等力学性能的影响规律。结果表明:Sc2O3-Y2O3复合掺杂ZrO2陶瓷材料经1450℃×3.5 h高温烧结的致密度大于97%,主要由四方相结构组成,该材料的维氏硬度、弹性模量、断裂韧性和三点抗弯强度与传统8YSZ相当,分别为13～14 GPa,211～214 GPa,6.5～7.0 MPa·m1/2,520～850 MPa之间;断裂机制主要为穿晶断裂和沿晶断裂的混合方式,其中以穿晶断裂为主导。Sc2O3-Y2O3复合掺杂ZrO2陶瓷可作为一种潜在的高温热障涂层陶瓷材料。

关键词：热障涂层稀土掺杂氧化锆氧化钪微观组织力学性能

多元稀土掺杂YSZ热障涂层的热物理和热循环性能研究

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真空 2024年第2期61卷 1-9页

作者：黄光宏甄真王鑫牟仁德何利民许振华中国航发北京航空材料研究院航空材料先进腐蚀与防护航空科技重点实验室北京100095

4.5wt.%Gd_(2)O_(3)-5.5wt.%Yb_(2)O_(3)-10.5wt.%Y_(2)O_(3)-79.5wt.%ZrO_(2)(GdYbYSZ)稀土复合氧化物陶瓷是一类适用于更高温度下潜在应用的新型热障涂层(TBCs)材料。采用高温固相合成法制备了GdYbYSZ陶瓷粉体和陶瓷块材,在1 100℃和1 300℃煅烧不同时间后GdYbYSZ陶瓷粉末无相变,具有非常优异的高温相稳定性。在1 200℃时,GdYbYSZ陶瓷块材的平均热扩散系数和平均热导率分别比同等温度下YSZ陶瓷块材降低了2.1%和5.1%。采用电子束物理气相沉积(EB-PVD)工艺在单晶合金(Ni,Pt)Al粘结层表面制备了GdYbYSZ新型热障涂层。沉积态GdYbYSZ陶瓷涂层的主相结构为立方相,有少量游离态Y_(2)O_(3)和ZrO_(2)共存,其Y和Zr元素的相对含量均比靶材中的高,而Gd和Yb元素含量相当。经1 100℃长期冷热交替循环后,GdYbYSZ陶瓷层表面出现大量规则分布的“泥巴状”微观裂纹,陶瓷层内滋长的横向裂纹已经扩展到陶瓷层与TGO层的界面处,并引起该界面退化分离。陶瓷涂层的剥落位置主要出现在TGO层上下两个临域的界面处。TGO层严重的褶皱、波动起伏、扭曲交联、凸面尖端应力积聚和快速松弛是引起GdYbYSZ/(Ni,Pt)Al热障涂层体系层间界面分离和剥落失效的关键性因素。

关键词：电子束物理气相沉积热障涂层热物理热循环剥落失效

电子束物理气相沉积LaZrCeO热障涂层微结构与热循环性能

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航空材料学报 2022年第1期42卷 33-39页

作者：牟仁德刘冠熙谢孝昌中国航发北京航空材料研究院航空材料先进腐蚀与防护重点实验室北京100095 中国航发北京航空材料研究院北京100095

热障涂层(thermal barrier coatings,TBCs)是一种由金属黏结层、热生长氧化物层和陶瓷面层组成的金属-陶瓷复合系统,在先进的航空发动机领域上引起了广泛的关注,但目前先进热障涂层的热循环寿命提升和失效行为研究仍然是一个难点。本研... 详细信息

热障涂层(thermal barrier coatings,TBCs)是一种由金属黏结层、热生长氧化物层和陶瓷面层组成的金属-陶瓷复合系统,在先进的航空发动机领域上引起了广泛的关注,但目前先进热障涂层的热循环寿命提升和失效行为研究仍然是一个难点。本研究采用电子束物理气相沉积技术(electron beam physical vapour deposition,EB-PVD)制备LaZrCeO/YSZ双陶瓷层热障涂层,研究热障涂层的相结构、显微组织和失效行为。结果表明:LaZrCeO/YSZ涂层为烧绿石与萤石结构组成的复合涂层材料,LaZrCeO/YSZ涂层的微观结构由羽毛状纳米结构和柱内孔隙组成;在1100℃热循环条件下,LaZrCeO/YSZ双陶瓷层热障涂层展现了良好的热循环寿命;热循环实验后,由于应力累积的作用裂纹在热生长氧化层(TGO)中萌生并扩展,包括水平裂纹和垂直裂纹两大类,进而引起整个涂层体系的不稳定,最终导致涂层失效。

关键词：热障涂层电子束物理气相沉积微结构热循环性能

铈掺杂Y_(3)Al_(5)O_(12)热障涂层陶瓷材料的制备与性能研究

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中国稀土学报 2023年第6期41卷 1119-1125,I0003页

作者：王炫力刘爽谢敏王志刚牟仁德宋希文内蒙古科技大学材料与冶金学院内蒙古包头014010 中国航发北京航空材料研究院北京100095

采用高温固相反应合成法制备不同组分的铈掺杂Y_3Al_5O_(12)热障涂层陶瓷材料,利用X射线衍射仪、X射线光电子能谱、扫描电子显微镜、维氏硬度仪和激光导热仪研究Ce掺杂量对陶瓷材料物相组成、微观形貌、硬度和热导率的影响规律。结果表... 详细信息

采用高温固相反应合成法制备不同组分的铈掺杂Y_3Al_5O_(12)热障涂层陶瓷材料,利用X射线衍射仪、X射线光电子能谱、扫描电子显微镜、维氏硬度仪和激光导热仪研究Ce掺杂量对陶瓷材料物相组成、微观形貌、硬度和热导率的影响规律。结果表明:当Ce掺杂量x为0.01和0.02时,(Y_(1-x)Ce_x)_(3)Al_(5)O_(12)呈单一YAG相,(Y_(0.99)Ce_(0.01))_(3)Al_(5)O_(12)的硬度最大,约为18.93 GPa;(Y_(0.98)Ce_(0.02))_(3)Al_(5)O_(12)的热导率最低,1000℃时约为1.95W·m^(-1)·K^(-1)。随着Ce掺杂量的增加,材料中出现Ce O_(2)第二相且Ce~(4+)的占比增多,粉体颗粒尺寸增大,陶瓷晶粒尺寸减小,导致(Y_(1-x)Ce_x)_(3)Al_(5)O_(12)陶瓷材料的硬度和热导率均有所下降。

关键词：热障涂层陶瓷层材料钇铝石榴石铈掺杂硬度热导率

(Gd_(1-x)Er_x)_(2)Zr_(2)O_(7)红外发射率对高温导热性能的影响规律研究

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中国稀土学报 2023年第6期41卷 1111-1118,I0003页

作者：裴训谢敏李瑞一刘洋宋希文安胜利牟仁德内蒙古科技大学材料与冶金学院内蒙古包头014010 内蒙古自治区先进陶瓷材料与器件重点实验室内蒙古包头014010

采用固相合成法制备Er_2O_(3)掺杂(Gd_(1-x)Er_x)_(2)Zr_(2)O_(7)(x=0,0.1,0.2)陶瓷材料,利用X射线衍射仪、激光导热仪以及傅里叶变换红外光谱仪对陶瓷材料的物相结构、热导率及高温红外发射率分别表征并对结果进行分析。结果表明,在Rad... 详细信息

采用固相合成法制备Er_2O_(3)掺杂(Gd_(1-x)Er_x)_(2)Zr_(2)O_(7)(x=0,0.1,0.2)陶瓷材料,利用X射线衍射仪、激光导热仪以及傅里叶变换红外光谱仪对陶瓷材料的物相结构、热导率及高温红外发射率分别表征并对结果进行分析。结果表明,在Rad+pc模型中(Gd_(1-x)Er_x)_(2)Zr_(2)O_(7)陶瓷试样的热导率随掺杂量先降低后升高,总体上,Er^(3+)的掺杂降低了Gd_(2)Zr_(2)O_(7)的热导率,而Cape+pc模型中(Gd_(1-x)Er_x)_(2)Zr_(2)O_(7)陶瓷试样热导率首先随温度升高而逐渐降低,800℃出现拐点随温度呈增大趋势。随Er_2O_(3)掺杂量的增加,(Gd_(1-x)Er_x)_(2)Zr_(2)O_(7)陶瓷试样1100℃红外发射率(3~5μm)与光子热导率具有相同变化趋势,发射率的降低导致了热导率测试值的增大,这一现象与材料晶格振动相关。

关键词： Gd_(2)Zr_(2)O_(7) 红外发射率热障涂层材料晶格振动

(SmEr)(ZrTi)O陶瓷材料的热物理性能研究

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中国稀土学报 2022年

作者：牟仁德谢敏张永和王志刚宋希文内蒙古科技大学材料与冶金学院中国航发北京航空材料研究院航空材料先进腐蚀与防护航空科技重点实验室

采用固相合成法制备了(SmEr)(ZrTi)O(x=0，0.2，0.4)陶瓷材料，研究其物相结构及热物理性能。结果表明：(SmEr)(ZrTi)O(x=0，0.2，0.4)陶瓷材料均为单一立方烧绿石结构，晶格常数随Er掺杂量的增加而降低。掺杂ErO可显著降低Sm(ZrTi)O陶... 详细信息

采用固相合成法制备了(SmEr)(ZrTi)O(x=0，0.2，0.4)陶瓷材料，研究其物相结构及热物理性能。结果表明：(SmEr)(ZrTi)O(x=0，0.2，0.4)陶瓷材料均为单一立方烧绿石结构，晶格常数随Er掺杂量的增加而降低。掺杂ErO可显著降低Sm(ZrTi)O陶瓷材料的热导率，屏蔽热辐射，减缓高温下热导率异常上升的趋势。Er部分取代Sm导致陶瓷材料的热膨胀系数从11.52 K降低到10.89 K，但仍与YSZ陶瓷材料的热膨胀系数接近，满足热障涂层材料的应用要求。

关键词：热障涂层陶瓷材料热导率热膨胀系数掺杂锆酸钐

Ce掺杂YAlO热障涂层陶瓷材料的制备与性能研究

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中国稀土学报 2022年

作者：王炫力刘爽谢敏王志刚牟仁德宋希文内蒙古科技大学材料与冶金学院无机材料工程系北京航空材料研究院

采用固相烧结法制备不同组分的Ce掺杂YAlO热障涂层陶瓷材料，利用X射线衍射仪、X射线光电子能谱、扫描电子显微镜、维氏硬度仪和激光导热仪研究Ce掺杂量对陶瓷材料物相组成、微观形貌、硬度和热导率的影响规律。结果表明：当Ce掺杂量x为...

采用固相烧结法制备不同组分的Ce掺杂YAlO热障涂层陶瓷材料，利用X射线衍射仪、X射线光电子能谱、扫描电子显微镜、维氏硬度仪和激光导热仪研究Ce掺杂量对陶瓷材料物相组成、微观形貌、硬度和热导率的影响规律。结果表明：当Ce掺杂量x为0.01和0.02时，(YCe)AlO呈单一YAG相，(YCe)AlO的硬度最大，约为18.93 GPa；(YCe)AlO的热导率最低，1000 ℃时约为1.95 W/m·K。随着Ce掺杂量的增加，材料中出现CeO第二相且Ce的离子占比增多，粉体颗粒尺寸增大，陶瓷晶粒尺寸减小，导致(YCe)AlO陶瓷材料的硬度和热导率均有所下降。

关键词：