“PG电子平台”自修复热障涂层与激光制备方法研究现状

本文摘要:章节:航空技术的发展对国家国防和经济建设具有最重要的影响,牵涉到国家安全性及国计民生的核心利益。航空涡轮发动机是现代航空飞行器的核心,标志着航空技术的发展水准。对飞行速度,飞行中距离及安全性性能等市场需求大大提高,使得航空涡轮发动机向大发动机、高效率、低油耗和长寿命方向发展,为此,涡轮发动机涡轮前温度必须大大提升。 作为目前最有效地的提高涡轮发动机涡轮前温度的措施,在叶片材料表面制取热障涂层(TBC)是半个世纪来材料科学领域研究的长年热点。

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章节:航空技术的发展对国家国防和经济建设具有最重要的影响,牵涉到国家安全性及国计民生的核心利益。航空涡轮发动机是现代航空飞行器的核心,标志着航空技术的发展水准。对飞行速度,飞行中距离及安全性性能等市场需求大大提高,使得航空涡轮发动机向大发动机、高效率、低油耗和长寿命方向发展,为此,涡轮发动机涡轮前温度必须大大提升。

作为目前最有效地的提高涡轮发动机涡轮前温度的措施,在叶片材料表面制取热障涂层(TBC)是半个世纪来材料科学领域研究的长年热点。转入21世纪后,我国航空涡轮发动机的市场需求也更加大,同时,工业燃气轮机也有热障涂层的市场需求,因此,热障涂层的研究、研发与制取技术具有极大的市场和经济、军事、社会效益。

  1、热障涂层的发展历程  热障涂层研究始自20世纪40年代末50年代初,美国NASA年所将其应用于X-15火箭燃烧室,建构了当时速度(6.72Mach)和飞行高度(108km)记录。  20世纪70年代中期,双层涂层系统(粘合层+氧化钇部分平稳氧化锆(YSZ)研发顺利使热障涂层研究取得突破性的进展,开始普遍应用于燃气轮机涡轮叶片、导向叶片、火焰筒等热端部件上等,被称作第一代热障涂层。20世纪80年代初期,美国PrattWhitney公司使用高压等离子喷涂(LPPS)制取更加耐热水解的金属粘合层NiCoCrAlY,寿命比使用大气等离子喷涂(APS)的第一代热障涂层的寿命提升了2.5倍。1980年代末,研发出有第三代热障涂层,即用LPPS制取金属粘合层,用电子束物理气相沉积(EB-PVD)制取YSZ陶瓷层,燃烧器试验指出,第三代热障涂层寿命比第二代热障涂层寿命提升了10倍,可提升叶片寿命3倍。

20世纪90年代末,又研发出有了第四代热障涂层,其热导率更加较低,该涂层在JTDEXTE76验证机高压涡轮叶片上顺利展开了试验检验。  经过几十年的发展,热障涂层的工艺方法随着涂层制取技术的发展而不断改进,由APSLPPSEB-PVD。近年来,因为可以提升陶瓷涂层致密度,增加高温条件下氧的渗入,激光制取技术也经常出现在热障涂层的工艺方法研究中,并获得可行性成果。

  热障涂层的双层涂层系统结构(粘合层+陶瓷层)几十年来基本维持恒定,但涂层成分和微小结构仍然大大被深入研究,并且大大发展。  国内外许多学者对陶瓷层进行研究,NASA在实验室中顺利研发出有的HfO2-Y2O3热障涂层,试验结果表明,重新加入多种氧化物的热障涂层具备更佳的热循环性能。有学者指出稀土锆酸盐是未来热障涂层的发展方向,稀土锆酸盐材料A2B2O7(A=La、Nd、Sm、Gd、Dy、Er、Yb,B=Zr,Ce等)导电系数较低,在高温下物相和化学成分更加平稳,应用于前景较好,但稀土锆酸盐热障涂层还不存在如热膨胀系数与粘合层热膨胀系数不给定、稀土锆酸盐韧性严重不足、诱导裂纹打消与拓展的能力不强劲、制取工艺简单等问题必须解决问题。

  2、热障涂层的过热机制  航空涡轮发动机的工况十分严苛,典型工作循环中涡轮最低工作温度大约为1350℃,长时间工作温度为800~900℃。影响热障涂层过热的因素众多,主要为材料性能不给定、界面水解等。  目前用于最广的热障涂层的陶瓷层材料为6%~8%Y2O3部分平稳ZrO2(6~8YSZ),YSZ热障涂层一般由粘合层(BC)和顶层(TC)构成。粘合层常用材料为MCrAlY(其中M代表Ni,Co或NiCo),高温条件下,粘合层中的Al与从陶瓷层中蔓延来的氧反应构成一层十分厚而颗粒的Al2O3热氧化生长层(TGO)。

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陶瓷层的主要起到是防水,粘合层的主要起到是减轻金属基体和陶瓷层之间加热和加热过程中的热应力不给定,TGO对粘合层和基体起抗高温水解防水起到,合金基体主要忍受机械载荷。在热循环载荷起到下,各个组元遵循动力学原理相互作用,以动态平衡方式构建热障功能。  早期热障涂层由于陶瓷层易再次发生分解成及比较较低的温度承受能力而不易再次发生过热。

使用Y2O3替换MgO和CaO作稳定剂,陶瓷层的稳定性获得相当大提升,涂层过热也由陶瓷层的失稳移往到了粘合层。当粘合层中Al全部选择氧化后,粘合层中开始构成抗压强度小的NiO结构,NiO富含处比Al2O3处易产生裂纹并拓展,进而使涂层开裂过热。  第二代热障涂层使用LPPS方法制取MCrAlY粘合层,增加制取工艺过程中危害氧化物的分解,并提升涂层致密度,在相当大程度上避免了预先不存在的氧化物晶核,从而转变热障涂层粘合层的水解模式,解决问题了粘合层NiO造成的过热问题。  热障涂层在长年热循环过程中,因各层材料热膨胀系数有所不同产生热应力,以及TGO大大水解生长,使热障涂层产生裂纹,最后造成热障涂层与基体开裂,沦为第二代热障涂层主要过热形式。

涂层过热再次发生在粘合层与陶瓷层分界面附近,产生的裂纹平行于此界面拓展,并且一般来说维持在陶瓷层内,由于LPPS使得粘合层获得增强,涂层过热部位也由粘合层移往到陶瓷层[9,10]。  为此,第三代热障涂层更进一步使用EB-PVD方法沉积,获得柱状晶结构YSZ陶瓷层,具备较小的突发事件容限。制取方法的变化造成过热形式的变化,第三代热障涂层过热再次发生在热生长氧化物附近。

陶瓷层与粘合层间分解的TGO随工作时间的缩短渐渐生长,在形变起到下,TGO中或粘合层与TGO的界面处产生裂纹,造成陶瓷层开裂[4]。  从上述热障涂层过热机制可以显现出,高温热氧化条件下,有所不同方位(TC、BC或TGO)产生裂纹是YSZ热障涂层过热的主要形式之一,掌控裂纹的打消和拓展是提升热障涂层抗热如雷性能,缩短服役寿命的关键。  3、自修缮热障涂层  高温热氧化和热应力造成裂纹打消是目前热障涂层难以逾越的材料学瓶颈,必须另辟蹊径探索解决问题方法。按照自修缮材料理论,自修缮热障涂层从诱导水解和制止裂纹拓展两个方面来缩短热障涂层的寿命,自修缮热障涂层融合智能涂层思想,使热障涂层根据外界条件变化自发性已完成修复过程,是一种较先进设备的涂层技术路线。

  但是,陶瓷材料具备很强的定向化学键,原子迁入能力十分受限,构建自修缮不道德十分艰难。有学者找到,利用高温条件下分解的水解产物可以对陶瓷材料中的裂纹展开一定量的填满,可实现自修缮功能。


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