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等离子喷涂热障涂层的氧化行为

王爽  
【摘要】:随着航空工业的发展,涡轮发动机的燃气进口温度和效率不断提高,而现有的高温合金和冷却技术已无法满足这种需求。为此,在高温合金表面涂覆热障涂层变得极为重要,并且热障涂层已经有了很长时间的高温服役经历。评价热障涂层性能的最主要指标是抗氧化性。本文研究了三种等离子喷涂的热障涂层的高温氧化行为,分别用称重和氧化层厚度两种方法对比研究氧化的热力学和动力学。同时采用电子显微镜观察形貌,用X射线衍射、电子探针等分析手段研究成分分布和结构变化。在实验结果的基础上探讨热障涂层的氧化机理。 首先,研究了用大气等离子喷涂方法制备的分别以MgO和Y_2O_3为稳定剂的两种ZrO_2热障涂层的静态氧化行为。结果表明,两种热障涂层的静态氧化动力学遵循抛物线规律;随着氧化温度的升高,陶瓷层中的气孔率减小,单斜相的含量增多。尽管MgO的添加量高于Y_2O_3,但是Y_2O_3稳定的ZrO_2热障涂层具有较好的热稳定性。虽然两种材料的过渡层都是NiCrAlY,由于Y_2O_3稳定的ZrO_2热障涂层中Al元素分布均匀,表现出较好的抗氧化性。 在上述抗氧化性能的研究基础上,对粘结层采用低压等离子喷涂制各的Y_2O_3-ZrO_2/NiCoCrAlY热障涂层进行了800—1000℃的静态氧化实验。结果表明,粘结层采用低压等离子喷涂制备得到的热障涂层的高温抗氧化能力显著提高。并且该试样在较高温度氧化较长时间后,粘结层中的铝元素向陶瓷层/粘结层界面扩散,生成了均匀、致密的双层氧化铝膜,更有效的保护了基体。 总之,通过以上对三种热障涂层的高温氧化行为的研究表明,热障涂层的氧化分为:氧的吸附、氧在陶瓷层的扩散、选择氧化生成Al_2O_3膜、薄膜生长、厚膜生长和厚膜破坏六个阶段。其中铝元素的分布直接影响保护性膜的生长与长大,进而影响热障涂层的抗氧化性能。


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