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热障涂层热生长氧化物形成及生长过程的干预与控制研究

陈亚军  
【摘要】:热障涂层(TBC)被广泛用于提高先进燃气涡轮机的效率。因为其低的热导率和良好的化学稳定性,TBC在保护镍和钴基超合金材料,提高其工作温度方面表现出了特殊的性能。而在TBC的粘结层(BC)和陶瓷层(TC)之间生成的一层热生长氧化物(TGO)对TBC的寿命具有重要的影响。 本课题在镍基高温合金上制备双层结构的TBC。BC为NiCoCrAlY而TC为ZrO_2-8 w.%Y_2O_3。为了研究对TBC中TGO形成及生长过程进行干预与控制的方法,分别采用大气等离子喷涂(APS)、高速微粒轰击(SFPB)、超音速火焰喷涂(HVOF)及真空热处理(VHT)工艺制备或处理TBC。采用高温氧化实验和热循环试验评价TBC的性能,利用扫描电镜、拉曼光谱(RFS)等实验手段研究工艺对TGO抗高温氧化性能、元素扩散、热震失效和残余应力的影响。 采用SFPB处理BC,以期干预Al元素扩散并改善BC表面的初始状态。BC表层区域产生大量位错等缺陷,为Al的选择性氧化提供大量高速扩散途径,Al在BC表层的富集,使TGO进入稳态氧化期,形成连续且致密的Al2O3层,抑制了大颗粒有害氧化物的形成。同时SFPB可以改善BC的表面形貌,减少由此造成的应力集中现象。经过SFPB处理的TBC在350次热循环后涂层依然完好,而APS TBC经过350次热循环后出现涂层剥离现象。热震350次后APS TBC残余应力为650MPa,而轰击处理后的SFPB TBC热震400次后残余应力仅为532MPa。 采用HVOF直接制备BC,改善了BC的界面粗糙问题,界面平整,增加了Al元素的扩散通道,有利于在BC表面形成一层Al2O3保护膜,防止了BC层其它元素的进一步氧化。HVOF TBC热震400次后其应力值仅为571 MPa,低于热震350次的等离子喷涂涂层的应力值。 对TBC进行VHT处理,在处理过程中BC层会预先氧化生成一层Al2O3层,该薄层的形成将在后续高温氧化过程中,有助于阻止有害氧化物的形成和生长。 在上述实验基础上,得到的在不同喷涂工艺条件下Al元素浓度曲线方程对TGO生长机制的预测有一定指导意义。


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