【摘要】：納米結構熱障涂層優(yōu)良的隔熱以及抗熱沖擊性能使其成為行業(yè)應用和研究的焦點。等離子噴涂納米陶瓷團聚粉體形成的涂層具有“bimodalstructure”,具有該陶瓷涂層結構的熱障涂層被認為是極具應用潛力的新型熱障涂層。涂層的優(yōu)良性能與“bimodal structure”中納米區(qū)域的含量和結構密切相關,但“bimodal structure”的構成對噴涂參數(shù)非常敏感,結構調控和性能優(yōu)化難度較高。本文利用粉體屬性對涂層結構的影響來研究納米涂層結構的調控問題,并針對造粒后不同燒結工藝產生的團聚粉體屬性差異對涂層結構控制帶來的不利影響,采用未燒結納米YSZ團聚粉體,通過噴涂試驗研究其在增加納米區(qū)域含量和促進涂層性能提升上的優(yōu)勢。并在此基礎上研究降低穩(wěn)定劑Y_2O_3含量對納米結構熱障涂層性能的作用以及降低環(huán)境壓力對涂層結構的影響,這對納米結構熱障涂層的性能優(yōu)化有重要意義。在常壓下采用試驗研究的方法,研究通過噴涂參數(shù)調節(jié)和使用未燒結粉體來實現(xiàn)涂層中納米區(qū)域含量的提升,分析涂層的結構與性能特征。結果表明,單一采用降低射流溫度的方式提高納米區(qū)域含量將以犧牲涂層質量為代價,導致YSZ涂層與粘結層界面在承受熱沖擊時發(fā)生分離,降低熱障涂層的可靠性。而使用未燒結粉體可在不影響涂層質量的基礎上提高涂層中納米區(qū)域的含量,并可較相同條件下燒結粉體沉積涂層獲得約10%的孔隙率提升,進而使涂層表現(xiàn)出良好的隔熱性能與較低的熱導率。另外,針對未燒結粉體的沉積問題,通過改進噴槍以及調節(jié)造粒時粘結劑的添加比例,將粉體沉積效率提高到了(20.2-40.6)%。同時發(fā)現(xiàn)未燒結粉體的高孔隙率特征使其對射流溫度變化的敏感度降低,在連續(xù)改變電流時可形成具有相近納米區(qū)域含量但性能不同的涂層,便于對涂層結構的優(yōu)化和控制,這是使用燒結粉體不能實現(xiàn)的。在納米涂層結構研究的基礎上,選取3 mol%與5 mol%Y_2O_3-ZrO_2未燒結納米團聚粉體制備涂層,對比分析兩種涂層的抗高溫燒結與抗熱震性能。試驗結果表明,3 mol%與5 mol%Y_2O_3-ZrO_2納米涂層在1400 ℃下燒結至100 h時,均能夠保持較高的孔隙率和抗裂紋擴展能力,其中3 mol%Y_2O_3-ZrO_2涂層燒結硬化速率低于5 mol%Y2O_3-ZrO_2涂層,且具有較長的熱循環(huán)壽命。因此,當形成納米涂層時,YSZ構成由5 mol%Y2O_3-ZrO_2調整為3 mol%Y2O_3-ZrO_2更有利于熱障涂層性能提升。利用實驗室自主研發(fā)的低壓等離子噴涂系統(tǒng),在5000Pa下對未燒結粉體進行噴涂試驗。研究結果表明,低壓下等離子射流性質的改變使未燒結粉體在350A電流下沉積后形成了一種新型納米涂層結構。顯微硬度Weibull曲線分析結果證實該涂層結構仍具有“bimodal structure”特征,但在形貌上卻呈現(xiàn)近乎全部細等軸晶結構。另外,未燒結粉體的松裝密度會影響涂層結構,相同條件下低松裝密度(0.95 g/cm~3)的粉體形成的涂層等軸晶的尺寸更細小。
【圖文】：

進的納米技術相結合［４１］，利用大氣等離子噴涂技術噴涂納米結構團聚體顆粒，控逡逑制顆粒在射流中的溫度使其略高于材料熔點，，使粉體顆粒在與基體碰撞沉積前僅逡逑發(fā)生部分熔化，形成由完全熔化的液相包裹內部固相納米顆粒的結構，如圖１．５ａ。逡逑在基體表面作用沉積時，完全熔化的液相充當粘結劑將未熔化納米顆粒固定在涂逡逑層中，使涂層同時包含致密的凝固結晶區(qū)域（完全熔化區(qū)域）以及與團聚體顆粒相逡逑－６－逡逑

逡逑近的納米顆粒堆垛區(qū)域（納米區(qū)域），如圖１．５ｂ。熱噴涂領域將這種涂層結構稱為逡逑“ｂｉｍｏｄａｌ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ”納米涂層，也將其直接簡稱為納米涂層【４２］。逡逑S枚�，辶x希粒紓紓歟錚恚澹潁幔簦澹溴危校幔潁簦椋幔眨赍澹恚澹歟簦澹溴澹櫻錚歟椋溴澹螅簦幔簦澹罰掊澹危紊懟獋逡逑ｐｏｗｄｅｒ邐ｐｏｗｄｅｒ邐ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ邐＊逡逑（ａ）邋Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ邋ｏｆ邋ｃｏａｔｉｎｇ邋ｆｏｒｍａｔｉｏｎ邐（ｂ）邋Ｔｙｐｉｃｉａｌ邋ｂｉｍｏｄａｌ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ逡逑圖１．５等離子噴涂納米涂層形成機制與涂層結構特征逡逑Ｆｉｇ．邋１．５邋Ｔｈｅ邋ｍｅｃｈａｎｉｓｍ邋ｏｆ邋ｐｌａｓｍａ邋ｓｐｒａｙｅｄ邋ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ邋ｃｏａｔｉｎｇ邋ａｎｄ邋ｔｈｅ邋ｆｅａｔｕｒｅ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ逡逑引入納米區(qū)域之后陶瓷涂層的性能得到顯著地提升。Ｗｕ等［４３］的試驗結果表明逡逑“ｂｉｍｏｄａｌ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ”納米涂層較傳統(tǒng)涂層熱導率降低４０％，熱循環(huán)壽命提高２．５倍。逡逑Ｌｉｍａ等Ｍ制備的具有疏松納米結構的涂層，較傳統(tǒng)涂層熱擴散系數(shù)降低了約６０％，逡逑同時在高溫加熱時表現(xiàn)出明顯的耐燒結性［４５］。丁傳賢［４６］與Ｇｉｒｏｌａｍｏ＾等的試驗結逡逑果表明含有“ｂｉｍｏｄａｌ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ”的納米ＹＳＺ涂層抗熱震性能要較傳統(tǒng)結構涂層更加逡逑優(yōu)良。盡管如此，等離子噴涂納米結構陶瓷粉體形成的涂層并非真正的納米涂層，逡逑而是一種由兩種晶粒尺度結構（淬冷凝固形成的微米級柱狀晶和未熔納米顆粒）組逡逑成的復合結構，其中，涂層的優(yōu)良性能取決于納米區(qū)域在兩種結構中所占的比例。逡逑根據(jù)影響等離子噴涂涂層性能的因素
【學位授予單位】：大連海事大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TQ174.758.16

【參考文獻】

相關期刊論文 前10條

1 程玉賢;王璐;袁福河;;航空發(fā)動機渦輪葉片熱障涂層應用的關鍵技術和問題[J];航空制造技術;2017年15期

2 劉永葆;劉建華;余又紅;賀星;劉莉;;燃氣輪機熱障涂層高溫腐蝕研究綜述[J];中國艦船研究;2017年02期

3 王莉莉;王偉;譚世磊;宋閃光;;熱障涂層制備方法的研究[J];熱加工工藝;2016年18期

4 馬德新;;高溫合金葉片單晶凝固技術的新發(fā)展[J];金屬學報;2015年10期

5 王秋童;冉健;喬新義;汪瑞軍;;送粉位置對等離子噴涂YSZ粒子熔化狀態(tài)的影響[J];中國表面工程;2014年02期

6 王棟;巴德純;杜廣煜;陳小龍;宮駿;;EB-PVD在熱障涂層中的研究及應用[J];真空;2013年05期

7 劉春紅;李學偉;鄭書航;閆磊鑫;張立明;;氧化鋯噴霧造粒粉末的制備[J];中國粉體技術;2013年03期

8 孫方紅;馬壯;劉應瑞;王恩杰;李福永;;等離子噴涂制備熱障涂層的研究進展[J];材料保護;2013年05期

9 王心悅;辛麗;韋華;朱圣龍;王福會;;高溫防護涂層研究進展[J];腐蝕科學與防護技術;2013年03期

10 宋仁國;王超;姜彥;盧果;;等離子噴涂Al_2O_3/TiO_2納米陶瓷復合涂層的微觀結構及性能[J];材料熱處理學報;2012年S2期

相關博士學位論文 前3條

1 劉躍專;氧化對熱障涂層微觀力學性能和界面微結構的影響[D];中國科學技術大學;2016年

2 楊德明;低壓等離子噴涂射流特性及金屬基涂層組織性能研究[D];大連海事大學;2013年

3 田闊;直流電弧等離子發(fā)生器射流脈動的研究[D];清華大學;2001年

相關碩士學位論文 前2條

1 王棟;EB-PVD制備熱障涂層及其熱震性研究[D];東北大學;2014年

2 陳震宇;大氣與超低壓等離子噴涂8YSZ涂層組織比較及熱導率測量[D];大連海事大學;2013年

本文編號：2636195