CMAS组分对EB-PVD热障涂层微结构退化的影响

该文对典型Ca/Si原子比为0.33、0.73、1.78的CMAS (主要组分为CaO-MgO-Al_2O_3-SiO_2)腐蚀的氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)热障涂层(TBCs)的微观结构特征进行了详细的对比研究.研究发现:当Ca/Si原子比为0.33时,沿着整个被腐蚀的YSZ涂层会有ZrSiO_4形成,YSZ陶瓷层上部区域原始的"羽毛状"柱状晶转变成相互连接的颗粒状结构,陶瓷层中部和下部区域仍为柱状晶结构,在颗粒状晶粒间隙和柱状晶晶粒间隙都有CMAS渗入.当Ca/Si原子比增加到0.73时, YSZ上部柱状晶退化成晶粒,下部柱状晶"羽毛状"结构退化,柱状晶上有明显的腐蚀坑,整个YSZ晶粒之间充满了非晶态的CMAS,而且在YSZ的顶部有部分m-ZrO_2出现,在YSZ/Al_2O_3界面处还有硅酸锆(ZrSiO_4)、钙长石(CaAl_2Si_2O_8)和尖晶石(MgAl_2O_4)形成.当Ca/Si原子比增加到1.78时,柱状晶转变成等轴晶,非晶的CMAS和MgAl_2O_4填充在晶粒间隙,并伴随有t-ZrO_2到m-ZrO_2的相转变.结果表明,Ca/Si原子比含量高的CMAS对YSZ涂层具有更大的破坏性.     

热循环条件下圆柱结构热障涂层系统应力场演变分析

基于弹性热力学,建立了一个四层空心圆柱结构热障涂层系统的应力模型和解析解.在考虑了弹塑性变形和蠕变变形影响的条件下,分析了热循环次数、基底曲率半径和热循环温度对TBCs系统残余应力的影响.随着热循环次数的增加,TBCs系统内不匹配残余应力的差异不断加剧.氧化层内环向应力和轴向应力数值大约为-2.2 GPa,是其他三层相应应力的10倍,具有明显的应力奇异性.该特性必然加剧TBCs的界面裂纹扩展和涂层剥落.基底曲率半径越小,陶瓷表面服役温度越高,越容易造成TBCs系统内应力分布不均匀.     

等离子喷涂 物理气相沉积用YSZ粉末 制备及涂层表征

热障涂层与高温合金、气膜冷却技术并称为航空发动机涡轮叶片的三大关键技术.等离子喷涂 物理气相沉积（PS PVD）工艺是最具潜力的未来航空发动机热障涂层制备方法之一,其制备的羽 柱状结构热障涂层兼具APS和EB PVD热障涂层的优点.为了进一步提高热障涂层性能,需要开发与PS PVD工艺相匹配的新型YSZ粉末.该文先采用喷雾干燥法制备出3种不同纳米团聚YSZ粉末,再使用相同PS PVD工艺制备成涂层,最后对粉末特性和涂层性能进行评价,以研究制粉工艺 粉末特性 涂层性能之间的联系.实验结果表明：悬浮液固含量越高,制备出的粉末呈现球形越规则,粒径也越大,喷涂的气化率和沉积率越高;制备的YSZ涂层由致密初始生长层和羽 柱状结构两部分构成;使用固含量45%的悬浮液制备的粉末喷涂所获得的涂层具有良好的结合强度和抗热震性能.     

不同制备工艺的热障涂层高温下TGO生长规律及微观结构的演变分析

热障涂层作为一种耐高温、耐腐蚀的热防护陶瓷材料,被广泛应用于航空发动机的高温部件,改善了发动机的耐高温性能且延长了其服役寿命.在高温服役环境中,由于界面氧化导致的TGO生长是诱发涂层剥落失效的主要原因.剥落失效是制约热障涂层在高性能航空发动机上安全应用的重要瓶颈,因此准确预测高温下热障涂层TGO的生长规律及微观形貌的演变规律对理解热障涂层界面氧化剥落失效至关重要.基于此,该文开展了不同制备工艺热障涂层材料的高温氧化实验,来分析TGO的生长规律以及微观形貌演变规律.实验结果表明:NiCrAlYSi黏结层氧化速率最快,抗氧化性能最差,TGO的生长不规则,氧化后期容易剥落.NiCrAl合金样品在高温下的氧化速率较慢,TGO的生长缓慢,抗氧化性能较好.Pt扩散黏结层的氧化速率介于两者之间,TGO的生长速率缓慢.在分析合金材料氧化的过程中,发现样品表面的粗糙度对TGO的生长有较大的影响,表面粗糙度越小TGO的生长速率越快,与基底的结合性越好.     

关于热障涂层工况模拟试验涡轮模型设计的一些探讨

热障涂层是目前保护航空发动机内部热端部件、提高其热效率最常用的方法和发动机必备的关键技术之一.航空发动机热障涂层服役环境极其严苛,其剥落失效面临巨大瓶颈,研制热障涂层服役环境模拟装置是理解热障涂层机制的重点.该文基于航空发动机热障涂层热、力、化多场耦合等实际服役环境,探讨有关热障涂层工况模拟试验用涡轮模型的设计.该模型是热障涂层工况模拟装置的核心模块之一.主要内容如下:(1)基于动力学平衡原理,结合发动机两类叶片数量之比等比例设计导向、工作叶片热障涂层的数量和位置;(2)基于高温燃气与高速旋转交互作用后尾迹、湍流的位置设计导向叶片与工作叶片之间的夹角;(3)基于涡轮叶片高速旋转线速度来设计模型件关键部件,包括导向叶片、工作叶片、涡轮盘的尺寸;(4)基于不同试验目标与测试要求选用不同类型的涡轮模型,第一类模型适用于工作叶片热障涂层的模拟考核与导向叶片热障涂层检测,第二类模型适用于工作叶片热障涂层的检测与机制研究.     

CMAS对钇稳定氧化锆热障涂层的微观结构变化及元素损失影响

钙镁铝硅酸盐(CMAS)对TBCs材料的耐久性能有很大的影响,因此CMAS的腐蚀越来越受到人们的关注.该文研究了空气等离子喷涂(APS) 7%Y_2O_3稳定ZrO_2(7YSZ)热障涂层(TBCs)在CMAS腐蚀下的微观结构变化,并且定量分析了在CMAS腐蚀情况下Y元素损失对涂层性能的影响.CMAS腐蚀涂层的显微形貌表明,CMAS在YSZ中的渗透深度随温度的升高而增大,孔隙率随温度的升高而减小.拉曼光谱仪的实验结果表明,CMAS腐蚀后的YSZ可以发生四方(t)相到单斜(m)相转变,X射线衍射测量也证实了这一点.电子探针微观分析结果表明,腐蚀后YSZ中的Y含量降低并转移到CMAS中.此外,研究还表明了CMAS中Y含量在不同加热温度和加热次数下的平均浓度变化.     

循环热力载荷下含冷却孔热障涂层的强度分析

在实际服役工况下,燃气轮机涡轮叶片热障涂层较易在冷却孔附近产生开裂和脱落,造成严重的安全问题.为了深入研究这一过程中的机理,该文通过建立含冷却孔热障涂层系统的三维有限元模型,以实际工况下流固耦合计算得到的温度场作为边界条件,分析循环热力载荷下热障涂层内部应力分布和发展趋势.结果表明,在冷却孔附近的涂层界面间存在应力集中现象,且随着循环应力数值增大,应力集中区域发生迁移.TGO层的不规则生长导致了应力在孔口附近界面处集中,特别是孔口上游区域的TC/TGO界面和TGO/BC界面处.     

热障涂层基于小波变换的声发射源定位方法

利用小波分析技术,对不同传感器接收到的声发射信号进行分解,提取出特征频率段的小波分量,对这一分量的重构信号进行相关性分析,确定了声发射信号到达两传感器的时间差,进而确定了声发射源的位置.对热障涂层进行铅笔芯断裂的定位分析验证了该方法的准确性.     

等离子 物理气相沉积（PS PVD）热障涂层的 结构调控与高隔热机理

等离子 物理气相沉积（PS PVD）是一种利用等离子体加热蒸发材料进行涂层沉积的新技术,结合了等离子喷涂与物理气相沉积两种不同工艺的优点,可实现涂层结构从宏观到介观再到微观的跨尺度定制调控,被认为是代表航空发动机和燃气轮机防护涂层领域未来高性能热障涂层（TBCs）/环境障涂层（EBCs）制备技术的发展方向.如何实现涂层结构的可定制化制备调控一直是PS PVD技术研究的热点,该文基于目前PS PVD热障涂层研究现状,分析了PS PVD涂层结构与材料相态的关系,进一步结合本课题组在材料多相态调控与沉积机理方面的研究,分析了PS PVD射流中材料快速加热气化和长距离多模式输运沉积的全过程,结合Monte Carlo模拟结果与实验结果,揭示了PS PVD涂层形成机理,阐明了涂层同时具有高热变容限与高隔热双重优异性能的结构机理,为制备新型高性能TBCs提供了理论基础.     

基于蒙特卡洛法的采场结构可靠性研究

为了进一步提高采场可靠性评价的准确性,进而改善工作人员的工作环境、保证工作人员安全,采用蒙特卡洛法对采场可靠性进行研究。在分析采场的失效模式后结合可靠性理论建立了采场可靠性模型和极限方程。考虑到极限方程中参数的随机性和独立性,用蒙特卡洛法对其进行无偏估计,并给出了具体的计算步骤和计算公式。最后结合工程实例,将此方法应用于实际工程来评价一个采场的结构稳定性,得出该采场处于可靠状态的概率为R=0.824。结果表明,采用蒙特卡洛法在一定程度上提高了采场可靠性评价的科学性和准确性。     

基于移动曲面法的中国大陆地壳运动速度场拟合

通过计算全国GPS一、二级网点和国家A、B级网点以及中国地壳运动观测网络点的速度场,得到中国大陆1 169个台站在ITRF97框架下的实测速度,并采用移动曲面法拟合了基于实测速度的中国大陆地壳运动速度场.结果表明,内插半径在200~300km范围内较为理想,在R=250km时偏差优于6mm.