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HCPEB轰击对热障涂层结构及抗CMAS腐蚀性能的影响

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稀有金属材料与工程 2023年第6期52卷 2147-2153页

作者：韩志勇李雪晓卢博文严慧羽中国民航大学天津市民用航空器适航与维修重点实验室天津300300

利用强流脉冲电子束(HCPEB)对大气等离子喷涂(APS)制备的热障涂层进行表面改性,分别对原始涂层和电子束改性涂层进行1250℃的钙镁铝硅酸盐(CMAS)腐蚀试验,采用XRD、SEM和EDS表征腐蚀前后原始涂层和电子束改性涂层的物相组成、微观结构... 详细信息

利用强流脉冲电子束(HCPEB)对大气等离子喷涂(APS)制备的热障涂层进行表面改性,分别对原始涂层和电子束改性涂层进行1250℃的钙镁铝硅酸盐(CMAS)腐蚀试验,采用XRD、SEM和EDS表征腐蚀前后原始涂层和电子束改性涂层的物相组成、微观结构和化学成分变化,对比分析原始涂层和改性涂层的CMAS腐蚀行为及影响规律。结果表明,改性涂层表面粗糙度降低了60.9%,且生成了具有柱状晶的致密重熔层,涂层表面具有更好的结构稳定性及相稳定性,改性涂层经CMAS腐蚀8 h后结构依然完整且表面无m-ZrO_(2)相生成,涂层并未发生脱落失效,具有较好的抗CMAS腐蚀能力。

关键词： CMAS APS 热障涂层 HCPEB

等离子蒸发沉积热障涂层抗CMAS附着研究进展

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稀有金属材料与工程 2020年第10期49卷 3646-3652页

作者：张宝鹏于新民刘伟霍鹏飞金鑫航天特种材料及工艺技术研究所北京100074

热障涂层是先进航空发动机核心热端部件高压涡轮叶片表面防护的关键技术。随着发动机服役温度的不断提高,一种主要化学成分为CaO-MgO-Al2O3-SiO2(简称CMAS)的环境沉积物对叶片的危害日益严重,不仅堵塞叶片表面气膜冷却孔,降低叶片冷却效... 详细信息

热障涂层是先进航空发动机核心热端部件高压涡轮叶片表面防护的关键技术。随着发动机服役温度的不断提高,一种主要化学成分为CaO-MgO-Al2O3-SiO2(简称CMAS)的环境沉积物对叶片的危害日益严重,不仅堵塞叶片表面气膜冷却孔,降低叶片冷却效率,而且导致热障涂层早期剥落失效,服役寿命大幅度降低。高温熔融CMAS在涂层表面的附着过程及防护方法是目前热障涂层研究领域的热点和难点。本文针对新型等离子蒸发沉积技术制备的热障涂层,梳理了近年来在热障涂层抗CMAS附着、渗入和腐蚀方面的最新研究成果,指出了涂层抗CMAS侵蚀研究的发展方向。

关键词：等离子蒸发沉积热障涂层 CMAS 氧化钇稳定氧化锆附着

CMAS对热障涂层界面裂纹和残余应力的影响

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稀有金属材料与工程 2020年第9期49卷 2937-2947页

作者：郭盾于庆民岑吕西北工业大学陕西西安710129

随着航空发动机涡轮叶片工作温度的提升,一种主要由CaO,MgO,Al2O3和SiO2组成的玻璃态物质(CMAS)对热障涂层的危害越来越严重,从而对热障涂层的性能和耐久性有了更高的要求。以电子束物理气相沉积热障涂层为研究对象,利用有限元方法研究... 详细信息

随着航空发动机涡轮叶片工作温度的提升,一种主要由CaO,MgO,Al2O3和SiO2组成的玻璃态物质(CMAS)对热障涂层的危害越来越严重,从而对热障涂层的性能和耐久性有了更高的要求。以电子束物理气相沉积热障涂层为研究对象,利用有限元方法研究了CMAS的渗入对界面裂纹扩展及陶瓷层(TC)内部残余应力的影响规律。采用波长固定、振幅变化的正弦曲线表示不同粗糙度的涂层界面,同时考虑了CMAS的弹性模量变化的影响及不同界面形貌与CMAS之间的相互作用。结果表明:CMAS弹性模量的增加对界面裂纹具有抑制作用,并且热生长氧化层(TGO)幅值和厚度越小,抑制作用越明显。CMAS弹性模量对TC层最大残余应力S22的影响存在临界点,在临界点之前,CMAS弹性模量的变化对TC层最大残余应力的影响较大,随着CMAS弹性模量的增加,TC层最大残余应力大幅度减小;在临界点之后,TC层最大残余应力基本不受CMAS弹性模量变化的影响。这些结果对电子束物理气相沉积喷涂的热障涂层失效机理的研究具有重要意义,可以为热障涂层界面的优化提供指导。

关键词：热障涂层 CMAS 界面形貌有限元方法内聚力模型

Effects of yttria content on the CMAS infiltration resistance of yttria stabilized thermal barrier coatings system

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Journal of Materials Science & Technology 2020年第8期36卷 74-83页

作者： Juan JGomez Chavez Ravisankar Naraparaju Peter Mechnich Klemens Kelm Uwe Schulz C.V.Ramana University of Texas at El Paso Department of Mechanical EngineeringEl PasoTX79968USA German Aerospace Center(DLR) Institute of Materials ResearchCologne51170Germany

The effects of YO(1.5)doping in yttria-zirconia based thermal barrier coatings(TBCs)against CMAS interaction/infiltration are discussed.The TBCs with an YO(1.5)content ranging from 43–67 mol.%(balance Zr O2)were produced by electron beam physical vapor deposition(EB-PVD)techniques.The results reveal a trend of higher apatite formation probability with the higher free YO(1.5)available in the yttriazirconia system.Additionally,the infiltration resistance and amount of consumed coating appears to be strongly dependent on the YO(1.5)content in the coating.The thinnest reaction layer and lowest infiltration was found for the highest produced 67 YO(1.5)coating.Complementary XRD experiments with volcanic ash/YO(1.5)powder mixtures with higher yttria contents than in the coatings(80 YO(1.5)and pure YO(1.5))also showed higher apatite formation with respect to increasing yttria content.The threshold composition to promote apatite-based reaction products was found to be around 50 YO(1.5)in zirconia which was proved in the coatings and XRD powder experiments.An YO(1.5)-ZrO2-Fe O-TiO2 bearing zirconolite-type phase was formed as a reaction product for all the coating compositions which implicates that TiO2 in the melt acts as a trigger for zirconolite formation.This phase could be detrimental for CMAS/volcanic ash infiltration resistance since it can be formed alongside with apatite which controls or limits the amount of Y^(3+)available for glass crystallization.The Fe rich garnet phase containing all the possible elements exhibited a slower nucleation compared to apatite and its growth was enhanced with slow cooling rates.The implications of phase stability and heat treatment effects on the reaction products are discussed for tests performed at 1250°C.

关键词： CMAS Volcanic ash Infiltration Electron beam physical vapor deposition Thermal barrier coating

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等离子体喷涂环境障涂层高温失效研究进展

中国表面工程 2020年第3期33卷 33-49页

作者：庄铭翔都业源袁建辉王亮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计算中心上海201899

环境障涂层因具有良好的抗高温水氧腐蚀能力而备受关注,但是由于外部砂粒等对涂层表面的侵蚀作用,仅能满足抗水氧腐蚀,还不能达到未来航空器高温部端的要求,CMAS腐蚀是对环境障涂层的另一个挑战。环境障涂层多采用等离子体喷涂工艺制备... 详细信息

环境障涂层因具有良好的抗高温水氧腐蚀能力而备受关注,但是由于外部砂粒等对涂层表面的侵蚀作用,仅能满足抗水氧腐蚀,还不能达到未来航空器高温部端的要求,CMAS腐蚀是对环境障涂层的另一个挑战。环境障涂层多采用等离子体喷涂工艺制备。由于涂层在经历高低温冲击时,会不可避免地发生失效。针对这一事实,文中对涂层失效种类和失效方式进行了总结和归纳,同时还介绍了环境障涂层的产生和发展历程。从微观、介观到宏观的维度介绍了环境障涂层的选材;通过分析国内外在环境障涂层方面的研究结果,结合计算模拟对CMAS引起的失效、高温水蒸气引起的失效以及热冲击引起的失效,进行了详细的阐述并总结了相应的失效机理;最后指出了环境障涂层面向应用仍然需要解决的问题以及未来的研究趋势。

关键词：环境障涂层 CMAS 高温水氧腐蚀热冲击失效机理

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CMAS高温腐蚀硅酸铒材料的失效分析

表面技术 2019年第6期48卷 261-267页

作者：马宝霞朱林程邹兵林哈尔滨理工大学哈尔滨150040 中科院长春应用化学研究所长春130021

目的研究CMAS在高温下对硅酸铒材料的腐蚀行为。方法通过固相反应合成高纯Er2SiO5和Er2Si2O7粉末,通过烧结获得Er2Si O5和Er2Si2O7块体。用35%Ca O-10%Mg O-7%Al2O3-48%SiO2(摩尔分数)的CMAS涂覆在烧结后的硅酸铒块体表面,将其在1300℃... 详细信息

目的研究CMAS在高温下对硅酸铒材料的腐蚀行为。方法通过固相反应合成高纯Er2SiO5和Er2Si2O7粉末,通过烧结获得Er2Si O5和Er2Si2O7块体。用35%Ca O-10%Mg O-7%Al2O3-48%SiO2(摩尔分数)的CMAS涂覆在烧结后的硅酸铒块体表面,将其在1300℃高温下进行不同时间的保温。利用X射线衍射仪(XRD)及扫描电镜(SEM),分析腐蚀产物的物相组成和腐蚀后块体材料的显微组织。结果在1300℃高温下,熔融态CMAS沿硅酸铒块体材料表面的微裂纹和孔隙渗入内部。宏观形貌表明,CMAS在很短时间内就完全渗入Er2Si O5块体内部,表面并未发现玻璃态的CMAS,而Er2Si2O7块体表面中心处却残留有缩聚的玻璃态CMAS。熔融CMAS与稀土铒硅酸盐反应,生成了柱状磷灰石相Ca2Er8(SiO4)6O2。CMAS熔化后,对Er2SiO5/Er2Si2O7有很好的润湿性,Er2SiO5/Er2Si2O7与熔化的CMAS紧密接触并发生溶解,Er和Si会进入到熔融的CMAS中,磷灰石相Ca2Er8(SiO4)6O2从CMAS熔融物中结晶出来。Er2Si2O7块体经CMAS渗透后,生成的磷灰石相比较致密,能有效阻止CMAS通过柱状晶间隙或者孔洞继续大量渗入,CMAS的渗透速率明显降低,渗透深度比同腐蚀时间下对Er2SiO5的要小。结论稀土铒双硅酸盐Er2Si2O7可以有效阻止CMAS渗入,表现出更好的CMAS腐蚀抗性。

关键词： CMAS Er2SiO5 Er2Si2O7 失效抗腐蚀性腐蚀机制

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热障涂层孔隙对CMAS侵蚀行为的影响

热障涂层孔隙对CMAS侵蚀行为的影响

作者：李志远中国民航大学

学位级别：硕士

对于应用在航空发动机中隔热性能优异的陶瓷基热障涂层而言,熔融硅酸盐(CMAS)对热障涂层的渗透和降解正成为影响热障涂层寿命的一个越来越重要的问题。因此,本文以CMAS侵蚀大气等离子喷涂Zr O-8%YO(YSZ)全过程为研究对象,对CMAS侵蚀全... 详细信息

对于应用在航空发动机中隔热性能优异的陶瓷基热障涂层而言,熔融硅酸盐(CMAS)对热障涂层的渗透和降解正成为影响热障涂层寿命的一个越来越重要的问题。因此,本文以CMAS侵蚀大气等离子喷涂Zr O-8%YO(YSZ)全过程为研究对象,对CMAS侵蚀全过程的涂层孔隙结构变化进行追踪表征,对失效机理进行探究。此外,制备了不同结构的热障涂层来研究热障涂层孔隙结构对CMAS侵蚀行为的影响。主要结论如下:(1)CMAS侵蚀热障涂层行为分为两个过程:快速渗透过程和缓慢降解过程。熔融CMAS在30 s内就渗透了约200μm厚的YSZ涂层,使得涂层孔隙率由12.8%降至4%。当YSZ涂层中的孔隙直径大于3μm时,毛细力作用过小导致大孔洞不易被填充。把有效孔隙率(ω≤3μm)引入到CMAS渗透速率的计算中,可以将计算结果与实测结果之间的偏差降至5%以内。CMAS渗透后恒温烧结30 min内,YSZ未发生明显的相变,渗透行为远远快于降解行为。涂层中的孔隙直径小于3μm的微裂纹含量决定渗透速度,而微裂纹的曲折程度对渗透速度影响较小。(2)YSZ涂层被CMAS渗透后有明显的烧结行为,渗透后恒温烧结30 min,YSZ涂层显微硬度提高约120%,涂层的刚性明显增加。涂层降解前4 h内,随时间的增加,降解区域逐渐增加,但4 h以后,降解区域不在增加。涂层降解导致t-Zr O晶粒由柱状晶粒向球形晶粒转变。(3)YSZ涂层的降解导致涂层出现了大量的微孔聚集区和板条状裂纹扩展带。长时间的降解下,直径在3μm和6μm之间的球形孔部分开裂,导致涂层出现大量的微孔聚集区。直径在6μm以上的大孔洞结构有较好的结构稳定性,未发生开裂。涂层的失效开裂形式可大致分为三种:孔开裂再合并、层间裂纹扩展和沿晶开裂。(4)YSZ涂层的网状裂纹结构能显著地促进t-Zr O→m-Zr O转变,且网状裂纹会在CMAS侵蚀初期发生大范围的开裂扩展,涂层降解区域较为弥散。球形孔有一定的抵御涂层降解的能力,但孔的开裂再合并现象较为显著,涂层出现了较大面积的剥落,对涂层的损伤较为严重。因此,在向YSZ涂层中引入球形孔结构抵御涂层降解的同时应考虑保留一定比例的网状裂纹结构,以此来降低孔的开裂再合并的影响。

关键词： CMAS 热障涂层 YSZ 球形孔网状裂纹

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热障涂层的CMAS腐蚀失效及对策研究

稀有金属材料与工程 2017年第1期46卷 282-288页

作者：亢永霞白宇刘琨王玉唐健江韩志海西安交通大学金属材料强度国家重点实验室陕西西安710049

研制具有长寿命、高性能的热障涂层(TBCs)是制造大功率航空发动机、发展新一代超音速战机的一项十分紧迫的任务。由于外来沉积物CaO-Mg O-Al_2O_3-Si O_2(CMAS)渗入涂层而导致TBCs失效的现象越来越受到人们的重视,很多学者对CMAS渗入后... 详细信息

研制具有长寿命、高性能的热障涂层(TBCs)是制造大功率航空发动机、发展新一代超音速战机的一项十分紧迫的任务。由于外来沉积物CaO-Mg O-Al_2O_3-Si O_2(CMAS)渗入涂层而导致TBCs失效的现象越来越受到人们的重视,很多学者对CMAS渗入后涂层的失效机理进行了大量的研究并尝试了一些缓解CMAS渗入涂层的方法。本文针对当前应用最为广泛的"层状多孔结构"的等离子喷涂涂层及"细长柱晶结构"的电子束辅助物理气相沉积涂层,系统地梳理了近年来国内外学者对TBCs在CMAS渗入条件下的涂层失效机制及缓解CMAS渗入的最新研究成果,为制备高性能的TBCs提供帮助。

关键词：热障涂层 CMAS 腐蚀等离子喷涂电子束辅助物理气相沉积

YSZ热障涂层表面MAX相Ti_(2)AlC防护层的料浆法制备

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中国表面工程 2021年第1期34卷 16-24页

作者：郭磊李博文冯佳燚天津大学材料科学与工程学院天津300072 天津大学先进陶瓷与加工技术教育部重点实验室天津300072 天津大学天津市现代连接技术重点实验室天津300072

MAX相Ti_(2)AlC是一种很有潜力的热障涂层抗环境沉积物(CMAS)腐蚀防护层材料。采用料浆法在YSZ(Y_(2)O_(3)部分稳定ZrO_(2))热障涂层表面制备Ti_(2)AlC防护层,研究粘结剂种类、粘结剂含量、涂覆方式、保温时间和烧结温度对涂层结合质量... 详细信息

MAX相Ti_(2)AlC是一种很有潜力的热障涂层抗环境沉积物(CMAS)腐蚀防护层材料。采用料浆法在YSZ(Y_(2)O_(3)部分稳定ZrO_(2))热障涂层表面制备Ti_(2)AlC防护层,研究粘结剂种类、粘结剂含量、涂覆方式、保温时间和烧结温度对涂层结合质量的影响。结果表明,与硅酸钠相比,乙基纤维素作为粘结剂更合适,当粘结剂含量为7%左右时,Ti_(2)AlC涂层表面完整,无明显缺陷;与刷涂方法相比,采用浸渍的涂覆方式得到的涂层致密性良好,界面处无明显缝隙;最佳的烧结温度和保温时间为1250℃,10 h。最终采用优化出的参数在YSZ热障涂层表面制备出了厚度~100μm的Ti_(2)AlC防护层,其与YSZ涂层之间的界面完整,结合良好,为MAX相Ti_(2)AlC用于CMAS防护层提供了指导。

关键词： MAX相 Ti_(2)AlC 热障涂层 CMAS 料浆法