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基体温度对大气等离子体喷涂YSZ涂层微结构的影响

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基体温度对大气等离子体喷涂YSZ涂层微结构的影响

等离子体喷涂钛基非氧化物陶瓷涂层的结构与磨损性能研究

第九届全国表面工程大会暨第四届全国青年表面工程论坛

作者：李大川赵华玉钟兴华周霞明陶顺衍中国科学院特种无机涂层重点实验室中国科学院上海硅酸盐研究所中国科学院研究生院

大气等离子体喷涂(APS)技术具有高效、低成本等优点,在固体氧化物燃料电池(SOFCs)电解质层制备方面倍受关注。本文利用APS技术制备了氧化钇稳定氧化锆(YSZ)电解质涂层,探讨了基体温度对YSZ涂层微结构的影响。利用扫描电镜(SEM)图像分析... 详细信息

大气等离子体喷涂(APS)技术具有高效、低成本等优点,在固体氧化物燃料电池(SOFCs)电解质层制备方面倍受关注。本文利用APS技术制备了氧化钇稳定氧化锆(YSZ)电解质涂层,探讨了基体温度对YSZ涂层微结构的影响。利用扫描电镜(SEM)图像分析评估涂层的厚度和孔隙率,采用X射线衍射(XRD)分析确定涂层的物相。实验结果表明:在200000℃范围内,制备的涂层主要是亚稳四方相(t’);随着基体温度的提高,涂层平均晶粒尺寸减小,其孔隙率总体呈现下降趋势;沉积效率先增大后减小。综合考虑上述因素,合适的基体温度是600℃。

关键词：大气等离子体喷涂氧化钇稳定的氧化锆基体温度孔隙率沉积效率

来源： cnki会议评论

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cnki会议

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等离子体喷涂钛基非氧化物陶瓷涂层的结构与磨损性能研究

作者：洪督上海大学

学位级别：硕士

本论文采用大气等离子体喷涂技术制备了TiN、TiC和TiB涂层,探究了涂层相组成、显微结构、力学和摩擦学性能。在此基础上,比较研究了对磨材料对TiC涂层摩擦学性能的影响。最后,为了进一步改善TiC涂层的摩擦学性能,制备了不同石墨添加量的... 详细信息

本论文采用大气等离子体喷涂技术制备了TiN、TiC和TiB涂层,探究了涂层相组成、显微结构、力学和摩擦学性能。在此基础上,比较研究了对磨材料对TiC涂层摩擦学性能的影响。最后,为了进一步改善TiC涂层的摩擦学性能,制备了不同石墨添加量的TiC-Graphite复合涂层。研究了TiC-Graphite复合涂层相组成和显微结构,并探究了不同石墨添加量对复合涂层力学和摩擦学特性的影响。通过以上研究工作,以期开发出具有低摩擦系数和磨损率,且长服役寿命的耐磨涂层。本研究取得的主要结果如下:1.采用大气等离子体喷涂技术在C/C复合材料基体表面制备了TiN、TiC和TiB涂层。三种粉体在喷涂过程中均发生少量氧化,涂层存在层状结构、裂纹和孔隙等缺陷,但均较为致密。在三种涂层中,TiC涂层具有较大的硬度,这与TiC涂层较低的孔隙率(8.0±1.1%)和氧化物含量(13 wt.%),以及TiC较高的本征硬度有关。***、TiC和TiB涂层与WC-Co硬质合金球组成的摩擦副的摩擦测试结果表明,在20 N和50 N载荷条件,与TiN和TiB涂层相比,TiC涂层均表现出更低的摩擦系数和磨损率。在磨损过程中,三种涂层均存在疲劳剥落和氧化现象,并且磨痕表面形成了一层不连续的转移层。TiN和TiB涂层在与WC-Co球相对滑动的过程中发生了物质的转移,存在粘着磨损。***涂层与不同对磨球(不锈钢、WC-Co和SiN)组成的摩擦副的摩擦学特性表明,在50 N载荷条件,摩擦系数的大小为μ大气等离子体喷涂技术在C/C复合材料基体表面制备了不同石墨添加量的TiC-Graphite涂层。随石墨添加量的增加,TiC-Graphite涂层内微裂纹增多和致密度减小,涂层粗糙度增大,硬度逐渐降低。***-Graphite涂层与WC-Co硬质合金球组成的摩擦副的摩擦测试结果表明,在50 N载荷条件,随石墨添加量的增加,TiC-Graphite涂层摩擦系数一直减小,磨损率先减小后增大。TiC-2.5 wt.%Graphite涂层获得最小的磨损率0.67×10 mm/(N·m),摩擦系数为0.354,与TiC涂层相比,分别降低了72.41%和27.76%。7.随石墨添加量的增加,TiC-Graphite涂层磨痕剥落凹坑和脆性断裂减少,转移层增多,能有效减小摩擦系数和磨损率。但随石墨添加量的进一步增加,涂层内微裂纹增多和致密度减小反而导致涂层磨损率增大。此外,转移层氧含量较高,存在摩擦氧化现象。因此,TiC-Graphite涂层磨损机理主要包括疲劳和摩擦氧化。

关键词：大气等离子体喷涂耐磨复合涂层磨损机理

Fe-Cr-Mo-B-C-P非晶合金涂层的非等温晶化动力学

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中国表面工程 2019年第4期32卷 141-150页

作者：谭礼明杨凯袁建辉赵华玉陶顺衍丁传贤上海工程技术大学材料工程学院上海201620 中国科学院上海硅酸盐研究所上海201899

采用大气等离子体喷涂技术制备Fe-Cr-Mo-B-C-P非晶合金涂层,利用XRD和SEM检测喷涂态涂层样品的物相和形貌。通过差示扫描量热分析方法(DSC),在不同升温速率下连续加热测得涂层的特征温度。分别利用Kissinger,Augis-Bennett和Ozawa方程... 详细信息

采用大气等离子体喷涂技术制备Fe-Cr-Mo-B-C-P非晶合金涂层,利用XRD和SEM检测喷涂态涂层样品的物相和形貌。通过差示扫描量热分析方法(DSC),在不同升温速率下连续加热测得涂层的特征温度。分别利用Kissinger,Augis-Bennett和Ozawa方程计算相应的活化能(Ec和Ep),并用Matusita–Sakka方程计算Avrami指数n进而分析晶化机制。结果表明:通过调控等离子体喷涂工艺参数可成功制备出铁基非晶涂层;随着升温速率的增大,Fe-Cr-Mo-BC-P非晶合金涂层相应的特征温度也逐渐上升,在晶化过程中存在显著的动力学效应。

关键词：大气等离子体喷涂铁基非晶涂层热稳定性晶化动力学

喷涂粒子在等离子体射流中的加热历程及熔化状态研究

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热喷涂技术 2012年第2期4卷 35-43页

作者：韩志海王海军白宇徐艳莉刘明徐超李红强王政西安交通大学金属材料强度国家重点实验室西安710049 装备再制造技术国防科技重点实验室北京100072

本文通过对水中收集的等离子喷涂熔融粒子进行粒度分析及形貌观察,研究了喷涂粒子在普通大气等离子喷涂(APS)及超音速大气等离子喷涂(SAPS)射流中的加热历程及熔化状态。实验观察到氧化钇部分稳定的纳米颗粒团聚造粒的氧化锆(Y-PSZ)球... 详细信息

本文通过对水中收集的等离子喷涂熔融粒子进行粒度分析及形貌观察,研究了喷涂粒子在普通大气等离子喷涂(APS)及超音速大气等离子喷涂(SAPS)射流中的加热历程及熔化状态。实验观察到氧化钇部分稳定的纳米颗粒团聚造粒的氧化锆(Y-PSZ)球形粉末颗粒在APS及SAPS射流中传热传质过程中的熔融与"细化"现象有明显不同:在SAPS射流中,尺寸较大(粒径在几十微米)的颗粒大部分形成了十分细小的(小于5μm)颗粒;相对而言,APS中的熔融粒子仍以十几微米以上较大粒径的半熔融粒子为主。进一步研究表明,大尺寸粒子在等离子射流中先从表层熔化,逐渐向颗粒内部扩展,形成柱晶熔区,属典型的梯度熔化模式,最终芯部存留大量细小未熔一次粒子,即所谓半熔融状态;相应的SAPS中大量粒径小于5μm的小颗粒在超音速等离子体射流中整体迅速熔化(即所谓等温熔化模式)。对熔融或半熔融粒子撞击基体后的扁平化过程进行分析表明:在APS射流中扁平粒子的直径一般在100μm以上,且周围飞溅较多,导致典型的层状多孔的粗大组织结构,层间出现较多平行横向裂纹;而SAPS大量细小熔滴撞击基体后,冷却更快,多呈无明显飞溅的直径约10～30μm圆盘状,形成大量细密柱晶交错堆垛而成的、无明显分层的特殊结构。对收集粒子进行X-射线衍射相分析表明,APS及SAPS两种工艺下的熔融粒子均未发生明显相变,相组成主要为室温下非转变四方氧化锆(t’-ZrO2),说明喷涂粒子在高温等离子射流的加热历程中,其晶体结构和化学成分未发生明显变化。

关键词：大气等离子体喷涂喷涂粒子加热历程熔化状态

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等离子体喷涂沉积氮化钛涂层初探

热喷涂技术 2015年第4期7卷 26-30页

作者：季珩江莞郑学斌丁传贤中国科学院上海硅酸盐研究所中国科学院特种无机涂层重点实验室上海200050 东华大学先进玻璃制造技术教育部工程研究中心上海201620

以氮化钛粉体为原料,采用大气等离子体喷涂技术制备氮化钛涂层,初步探查等离子体喷涂功率对氮化钛涂层微观结构、显微硬度和耐磨性能的影响。结果表明:在43kw功率下制备的涂层微观结构均匀,气孔率较小,显示出较好的抗磨特性。此外,涂层... 详细信息

以氮化钛粉体为原料,采用大气等离子体喷涂技术制备氮化钛涂层,初步探查等离子体喷涂功率对氮化钛涂层微观结构、显微硬度和耐磨性能的影响。结果表明:在43kw功率下制备的涂层微观结构均匀,气孔率较小,显示出较好的抗磨特性。此外,涂层中还观察到氧化钛的存在。

关键词：氮化钛大气等离子体喷涂耐磨

等离子喷涂SrZrO_3热障涂层的CaO-MgO-Al_2O_3-SiO_2(CMAS)腐蚀行为

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中国腐蚀与防护学报 2017年第1期37卷 53-57页

作者：张珊榕董红英马文尹轶川李新慧白玉贾瑞灵内蒙古工业大学化工学院呼和浩特010051 内蒙古工业大学内蒙古自治区薄膜与涂层重点实验室呼和浩特010051 内蒙古工业大学材料科学与工程学院呼和浩特010051

采用固相法合成SrZrO_3粉末并对合成的粉末进行喷雾造粒,采用大气等离子喷涂(APS)制备SrZrO_3热障涂层(TBCs)。将合成的SrZrO_3粉末与Ca O-Mg O-Al_2O_3-SiO_2(CMAS)粉末混合,以及在等离子喷涂SrZrO_3涂层表面涂覆CMAS粉末,分别在1150和... 详细信息

采用固相法合成SrZrO_3粉末并对合成的粉末进行喷雾造粒,采用大气等离子喷涂(APS)制备SrZrO_3热障涂层(TBCs)。将合成的SrZrO_3粉末与Ca O-Mg O-Al_2O_3-SiO_2(CMAS)粉末混合,以及在等离子喷涂SrZrO_3涂层表面涂覆CMAS粉末,分别在1150和1250℃进行腐蚀行为研究,分别使用XRD和SEM对腐蚀产物相和涂层显微结构进行表征。结果表明:在1150℃下,SrZrO_3粉末不与CMAS发生腐蚀反应;当温度升高到1250℃时,两者发生反应,腐蚀1 h后生成ZrSiO_4,CaZrO_3,SrAl_2O_4和t-ZrO_2,而腐蚀4 h后出现新相m-ZrO_2。在1250℃下,随着腐蚀时间增长,反应生成的t-ZrO_2转变为m-ZrO_2,此时的腐蚀产物层可抑制CMAS的进一步腐蚀。

关键词：大气等离子体喷涂热障涂层 CMAS SrZrO

多元稀土掺杂氧化锆基热障涂层抗CMAS高温侵蚀性研究

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多元稀土掺杂氧化锆基热障涂层抗CMAS高温侵蚀性研究

作者：王彤欣中国科学院大学(中国科学院上海硅酸盐研究所)

学位级别：硕士

6wt.%～8wt.%氧化钇部分稳定氧化锆(6～8YSZ)热障涂层被广泛用作航机/燃机等热端部件的防护涂层,有效地提高发动机的热效率并延长其使用寿命。然而在航机/燃机服役过程中,大气中的沙尘、火山灰等钙镁铝硅颗粒(CMAS,Ca O-Mg O-AlO-Si O)... 详细信息

6wt.%～8wt.%氧化钇部分稳定氧化锆(6～8YSZ)热障涂层被广泛用作航机/燃机等热端部件的防护涂层,有效地提高发动机的热效率并延长其使用寿命。然而在航机/燃机服役过程中,大气中的沙尘、火山灰等钙镁铝硅颗粒(CMAS,Ca O-Mg O-AlO-Si O)沉积在叶片涂层表面,高温下对涂层造成严重腐蚀,影响航机/燃机寿命。文献显示含Gd、Yb等稀土离子的锆酸盐涂层以及高Y含量YSZ涂层具有较好的抗CMAS高温腐蚀性能。但是,对于Y、Gd、Yb等多元稀土掺杂的隔热性能更优的氧化锆基热障涂层的抗CMAS特性研究鲜有报道。本课题拟探察Y、Gd、Yb等稀土元素在氧化锆基热障涂层抗CMAS侵蚀中的作用,以此优化氧化锆基热障涂层的稀土掺杂改性方案,并进一步考评改性后涂层在模拟实际服役工况条件下的抗CMAS性能。采用大气等离子体喷涂(APS)工艺制备8YSZ及ZrO-9.5YO-5.6YbO-5.2GdO(YSZ-Yb-Gd)两种无基材厚热障涂层,在1350°C下进行恒温热考核,在对比研究两种涂层的CMAS腐蚀行为的基础上,探究了Y、Gd、Yb在涂层抗腐蚀性能中所起的作用,为热障涂层抗CMAS特性的改善提供借鉴。采用超音速火焰喷涂(HVOF)和APS工艺分别在镍基高温合金上制备了Ni Co Cr Al Y结合层和三种总厚度相同但组分和结构不同的ZrO-YO热障涂层。在表面涂覆CMAS后,经1350°C高温焰流考核,利用SEM、EDS、XRD、RS等表征手段,考察CMAS对ZrO-YO涂层的侵蚀行为与机制,为抗CMAS的高性能TBCs设计提供实验数据和技术支撑。形成主要结论如下:(1)表面涂覆50 mg/cmCMAS的8YSZ和YSZ-Yb-Gd厚涂层随腐蚀时间延长,CMAS沿孔隙逐渐渗入涂层内部,涂层致密化深度逐渐增加,在相同时间内YSZ-Yb-Gd涂层的致密化区域深度大于8YSZ涂层;浅层产物以Zr Si O和ZrO为主,8YSZ和YSZ-Yb-Gd涂层分别经历6 h和1 h热处理后开始发生浅层的弥散剥离;24 h后两种涂层m-ZrO相的可探测深度约为120μm,之后涂层逐渐恢复到与喷涂态相同的相组成。少量Yb、Gd的添加并没有改善YSZ涂层的抗CMAS腐蚀性能。(2)表面涂覆7 mg/cmCMAS的带基材热障涂层试样经受1350°C表面温度的高温焰流考核,8YSZ涂层的抗蚀寿命最短,其剥离失效发生在陶瓷涂层和TGO/粘结层之间的界面处;38YSZ次之,其剥离失效发生在陶瓷涂层内部;8YSZ+YO双陶瓷涂层最优,3 h后仍保持完整。38YSZ和8YSZ+YO双陶瓷涂层表层均生成CaY(Si O)O/Y(Si O)O新相,其致密结构阻挡了CMAS的深层渗入。(3)8YSZ涂层经1350°C高温焰流考核1 h后剥蚀严重,剥离涂层中存在一定量的m-ZrO,残留的陶瓷层的主晶相为t’-ZrO。38YSZ涂层经高温焰流考核2 h后发生较严重剥蚀,涂层剥落区域残留陶瓷涂层厚度约为30μm,未明显剥离区域的陶瓷层平均减薄100μm,残留涂层中几乎不含CMAS,表明CMAS未完全渗透陶瓷涂层。8YSZ+YO双陶瓷层试样随高温焰流考核时间的延长,在表面生成了CaY(Si O)O/Y(Si O)O新相。直至考核3 h后,YO层仍保持完整,与原始YO层厚度相比,其厚度减薄量为5～20μm。YO层为YSZ涂层提供了足够的抗蚀屏障。因此,8YSZ+YO双陶瓷涂层展示了更好的抗CMAS腐蚀性能。

关键词：大气等离子体喷涂热障涂层 ZrO2-Y2O3 Gd CMAS

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W涂层喷涂预制重熔模拟及实验研究

W涂层喷涂预制重熔模拟及实验研究

作者：刘正洋深圳大学

学位级别：硕士

面向等离子材料(Plasma Facing Materials,PFMs)的研制是可控核聚变的研究中非常重要的问题。钨材料由于其高熔点、高热导率、低蒸气压、极低的溅射率和低氢滞留等特点,被作为最具有潜力的面向等离子体材料。但由于钨的机械性能的限制,... 详细信息

面向等离子材料(Plasma Facing Materials,PFMs)的研制是可控核聚变的研究中非常重要的问题。钨材料由于其高熔点、高热导率、低蒸气压、极低的溅射率和低氢滞留等特点,被作为最具有潜力的面向等离子体材料。但由于钨的机械性能的限制,所以考虑在热沉材料上沉积钨涂层以运用到包层第一壁上。大气等离子体喷涂制备钨涂层由于其低成本、沉积效率高、可大面积制备非平面厚钨涂层且可以进行原位修复,具有很大的潜力。然而通过这一方法制备的钨涂层也存在一些缺陷,包括:较高的孔隙率和含氧量,并且由于钨涂层与钢基底的物性差异,其结合强度也有待提高。基于上述存在的缺陷,本文将引入扫描电子束技术,对大气等离子体喷涂预置钨涂层进行重熔,提高钨涂层的致密度、减少氧含量,提升钨涂层综合热力学性能,与此同时开展扫描电子束粉末熔覆制备钨钢过渡层的初步研究。利用ANSYS对理想情况下钨涂层和钨钢过渡层热负荷下的温度分布和热应力分布进行模拟,为重熔与熔覆实验寻找最佳的时间和功率密度参数,以及热应力对钨涂层重熔的影响进行预判。基于喷涂预置钨涂层和过渡层都为多孔介质,于是引入多孔介质模型,使用COMSOL Multiphysics研究了孔隙率变化对涂层热负荷下温度场的影响,得出涂层表面温度随孔隙率增加而升高,且孔隙率越高对温度升高的影响越显著,这一现象在两种预制层及其不同的电子束作用参数下普遍存在。扫描电子束采用不同的重熔参数重熔钨涂层,观察重熔前后涂层的表面微观结构,并表征和研究了涂层的性能,包括孔隙率,氧含量,显微硬度,耐磨性和耐腐蚀性等。实验结果表明,通过电子束重熔的钨涂层表面产生了具有柱状结构的致密重熔层,伴随着氧含量降低了约90%,孔隙率最低下降到0.156%。在特定重熔时间和功率密度下重熔后的钨涂层的显微硬度增加了一倍达到了475.79 HV,热导率较重熔前提升了4倍。相比于大气等离子喷涂预置钨涂层,经电子束重熔的涂层的耐磨性能和耐蚀性能也得到了较大的提升,分别表现为质量损失的减少和腐蚀电流的大幅降低。与此同时,开展了扫描电子束熔覆粉末预置钨钢过渡层的研究。使用粘结剂将均匀混合钨钢粉末涂覆在钢基底表面,干燥固化后,通过电子束对其熔覆制作过渡层,初步研究表明,经电子束熔覆过后的过渡层含氧量约为0.93%,孔隙率较低,与基底的结合紧密,其中钨颗粒与熔融后与的钢基底结合紧密,但存在钨颗粒的团聚现象,工艺参数有待进一步完善,为钨钢过渡层的制备提供了一种新尝试、新工艺。

关键词：电子束重熔钨涂层钨钢过渡层第一壁大气等离子体喷涂

电子束作用下氧化锆热障涂层传热数值模拟与实验

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电子束作用下氧化锆热障涂层传热数值模拟与实验

作者：王曼莉深圳大学

学位级别：硕士

大气等离子体喷涂制备氧化锆热障涂层是目前主流的生产工艺,它具有生产效率高、制备的涂层质量好、成本较低等优点,同时涂层存在孔隙率高、致密度低和服役时间短等缺陷。服役过程中孔隙的存在致使高温热流或其他腐蚀介质通过孔隙对金属... 详细信息

大气等离子体喷涂制备氧化锆热障涂层是目前主流的生产工艺,它具有生产效率高、制备的涂层质量好、成本较低等优点,同时涂层存在孔隙率高、致密度低和服役时间短等缺陷。服役过程中孔隙的存在致使高温热流或其他腐蚀介质通过孔隙对金属材料造成腐蚀,导致涂层隔热失效,甚至造成涂层脱落。本文通过建立氧化锆涂层传热模型,对大气压等离子体制备的氧化锆热障涂层电子束重熔过程中传热进行数值模拟并开展重熔实验,实现对涂层的封孔处理。研究初步结果表明:氧化锆涂层在电子束作用下,涂层的温度分布及重熔深度取决于电子束功率密度、作用时间。当功率密度分别在0.8-1.4 GW/m、9-10.5MW/m间变化时,相应的作用时间为200μs、100ms,计算表明,涂层表面温度随着功率密度的增加而增加,涂层表面50μm厚度纵向最大温度梯度分别为:2.0×10K/cm和1.9×10K/cm,最大重熔深度为80μm和83μm。当功率密度分别为1.4GW/m、10.5MW/m时,相应作用时间在50-200μs、30-100ms区间变化时,涂层表面温度随着时间的增加而增加。对不同喷涂功率制备的氧化钇稳定氧化锆热障涂层(YSZ涂层)进行主要性能表征和测试,获取最佳工艺参数制备涂层。制备的YSZ涂层分别在强流脉冲电子束(3.8GW/m、脉冲时间200μs、脉冲次数50)、扫描电子束(25 MW/m、100ms)作用下进行重熔封孔处理并表征。实验表明:重熔后涂层孔隙几乎完全封闭,孔隙率比重熔前降低了50-80%,最低只有2.59%;X射线衍射分析表明,氧化锆热障涂层在电子束高温作用下发生脱氧和氮化,生成了黑色的ZrON;表面显微硬度提升了26%-57%;通过吹砂实验测试,经电子束重熔后的涂层耐冲刷能力提升了33%-560%。重熔处理后氧化锆涂层的性能有了显著的提升。

关键词：大气等离子体喷涂氧化锆热障涂层电子束重熔封孔处理数值模拟