稀土氧化物熱障涂層的制備及抗CMAS性能研究
發(fā)布時間：2021-04-01 02:07
傳統(tǒng)YSZ（Y2O3穩(wěn)定的ZrO2）熱障涂層材料長期工作溫度不能超過1200℃,在更高溫度下將會發(fā)生相轉變以及嚴重的燒結。為了適應燃氣輪機更高的工作溫度需求,研發(fā)抗高溫燒結、低熱導率、抗熱震性能更好以及耐腐蝕性能更強的新型熱障涂層材料有著重要意義。Sm2(Zr0.7Ce0.3)2O7（SZ7C3）與Gd2(Zr0.7Ce0.3)2O7（GZ7C3）稀土氧化物熱障涂層材料因其表現(xiàn)出非常低的熱導率以及高溫抗燒結特點,是一種具有應用前景的新型TBC（Thermal Barrier Coating）材料。本文研究了APS（atmospheric plasma spraying）制備稀土氧化物SZ7C3與GZ7C3熱障涂層的方法和性能,并對涂層在高溫循環(huán)和CMAS（CaO-MgO-Al2O
【文章來源】：武漢理工大學湖北省 211工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：98 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
燃氣輪機的結構
2設計大幅度提高渦輪進口溫度也極度困難，且在表面噴涂熱障涂層容易對氣膜孔造成堵塞，也限制了其突破性發(fā)展。因而使用熱障涂層技術來降低葉片工作溫度已受到廣泛關注。熱障涂層（Thermalbarriercoating,TBC）是一種由金屬基體、粘結層以及陶瓷層構成的熱防護體系。因陶瓷材料具有耐高溫、低導熱性和耐侵蝕的優(yōu)點，以涂層的形式通過粘結層與基體結合，可以將金屬基體與高溫氣體阻隔開來，從而起到對熱端部件高溫防護作用，增加其工作期限[8,9]。相比于開發(fā)新型高溫合金以及渦輪葉片氣膜冷卻孔設計，TBC的研究有著低成本，工藝簡單的優(yōu)勢，因此其在先進發(fā)動機熱端部件的高溫隔熱應用中有著非常重要的意義與發(fā)展前景。1.2熱障涂層研究綜述1.2.1熱障涂層發(fā)展現(xiàn)狀上世紀中期就已經(jīng)有關于熱障涂層研究的報道，最早的TBC材料為CaO-ZrO2/NiCr[1,10]。60年代以后，TBC技術開始對發(fā)動機葉片防護進行研究與應用。到了70年代中期，ZrO2-12Y2O3/NiCrAlY材料作為TBC在J-75發(fā)動機葉片上使用，這是TBC首次應用在燃氣輪機葉片上，具有標志性意義。此后，TBC逐漸實現(xiàn)工業(yè)化，在航空航天發(fā)動機防護方面的應用更為突出。圖1.2典型的熱障涂層體系結構典型的熱障涂層體系示意圖如圖1.2所示，包括：（1）高溫合金基體（Substrate），通常選用鎳基或鈷基高溫合金材料，承載結構負荷；（2）金屬粘結層（Bondcoat），提高陶瓷層與金屬基體的相結合性，并具有耐氧化侵蝕的作用；（3）表面陶瓷
4般采用低壓或真空等離子噴涂、物理氣相沉積或者超音速火焰噴涂等方法來制備。MCrAlY涂層具備很好的耐氧化與耐腐蝕性能且塑性極好。高溫服役過程中，MCrAlY中的Al將向外擴散，在粘結層表面將會被氧化，產生致密的Al2O3保護層（也即所謂的TGO），致密的氧化鋁層具有較低的氧擴散能力和很好的粘附性，從而通過防止氧對粘結層的繼續(xù)侵蝕來保護基體[12,13]。高含量的Al雖然能形成致密的保護膜但也會使涂層的脆性增大，因此通常MCrAlY中的Al含量控制在8~12wt.%。MCrAlY中的Cr的作用是提高合金的耐氧化及抗硫腐蝕能力。微量稀土元素Y有著氧化物釘扎和細化晶粒的效果，使得TGO與基體粘結性更好，對涂層的使用壽命的延長具有顯著意義。此外，MCrAlY中還可以加入像Si、Hf、Ta、Zr等合金元素來進一步提高涂層的耐氧化性[14]。圖1.3燃氣輪機工作溫度發(fā)展1.2.2.3表面陶瓷層材料TBC表面陶瓷層材料主要是利用陶瓷材料具有很好的高溫耐熱耐蝕性和低熱導率來保護合金基體。因此，陶瓷材料的選擇必須具有以下特點[1]：（1）高熔點；（2）高溫不發(fā)生相變；（3）低熱導率；（4）熱膨脹系數(shù)接近于合金基體；（5）具有高溫低燒結率及耐腐蝕能力；（6）力學性能優(yōu)異等。因此可用于TBC的表面陶瓷層材料極其有限，迄今，能夠滿足以上所有特點的單一陶瓷材料未曾發(fā)現(xiàn)。在眾多陶瓷材料中，因氧化鋯具有高熔點、低熱導、熱穩(wěn)定性好以及與高溫合金基體熱膨脹系數(shù)接近等特點，成為目前在TBC體系中應用最好的材料。目前，8wt.%氧化釔部分穩(wěn)定的氧化鋯（8YSZ）已被普遍地應用在熱障涂層表面陶瓷材料中[15,16]。
【參考文獻】：
期刊論文
[1]高推重比發(fā)動機熱障涂層應用現(xiàn)狀分析[J]. 田偉,何愛杰,鐘燕,牟仁德,張甲. 燃氣渦輪試驗與研究. 2016(05)
[2]納米8YSZ粉的熱處理對等離子噴涂涂層熱震性能的影響[J]. 陳濤,惠宇,胥佳穎,鄒兵林,曹學強,趙修建. 中國稀土學報. 2016(02)
[3]葉片電子束物理氣相沉積熱障涂層制備及其對葉片高溫合金基體力學性能影響研究[J]. 劉輝,張衛(wèi)紅,高浚,劉國慶. 熱噴涂技術. 2016(01)
[4]熱障涂層技術在航空發(fā)動機渦輪葉片上的應用[J]. 李釗,蔡文波. 航空發(fā)動機. 2015(05)
[5]鎳基單晶高溫合金研究進展[J]. 孫曉峰,金濤,周亦胄,胡壯麒. 中國材料進展. 2012(12)
[6]渦輪葉片氣膜孔加工技術及其發(fā)展[J]. 朱海南,齊歆霞. 航空制造技術. 2011(13)
[7]熱障涂層在航空發(fā)動機渦輪葉片上的應用研究[J]. 張志強,宋文興,陸海鷹. 航空發(fā)動機. 2011(02)
[8]熱障涂層的破壞機理與壽命預測[J]. 周益春,劉奇星,楊麗,吳多錦,毛衛(wèi)國. 固體力學學報. 2010(05)
[9]先進航空發(fā)動機熱障涂層技術研究進展[J]. 郭洪波,宮聲凱,徐惠彬. 中國材料進展. 2009(Z2)
[10]空位對Sm2Zr2O7陶瓷熱膨脹系數(shù)的影響[J]. 徐強,王富恥,朱時珍,張紅松,劉玲,萬春磊,瞿志學,潘偉. 稀有金屬材料與工程. 2007(S2)
碩士論文
[1]R2Zr2O7型稀土鋯酸鹽熱障涂層的組織結構及CMAS腐蝕行為[D]. 張維亨.哈爾濱工業(yè)大學 2012
本文編號：3112491
【文章來源】：武漢理工大學湖北省 211工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：98 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
燃氣輪機的結構
2設計大幅度提高渦輪進口溫度也極度困難，且在表面噴涂熱障涂層容易對氣膜孔造成堵塞，也限制了其突破性發(fā)展。因而使用熱障涂層技術來降低葉片工作溫度已受到廣泛關注。熱障涂層（Thermalbarriercoating,TBC）是一種由金屬基體、粘結層以及陶瓷層構成的熱防護體系。因陶瓷材料具有耐高溫、低導熱性和耐侵蝕的優(yōu)點，以涂層的形式通過粘結層與基體結合，可以將金屬基體與高溫氣體阻隔開來，從而起到對熱端部件高溫防護作用，增加其工作期限[8,9]。相比于開發(fā)新型高溫合金以及渦輪葉片氣膜冷卻孔設計，TBC的研究有著低成本，工藝簡單的優(yōu)勢，因此其在先進發(fā)動機熱端部件的高溫隔熱應用中有著非常重要的意義與發(fā)展前景。1.2熱障涂層研究綜述1.2.1熱障涂層發(fā)展現(xiàn)狀上世紀中期就已經(jīng)有關于熱障涂層研究的報道，最早的TBC材料為CaO-ZrO2/NiCr[1,10]。60年代以后，TBC技術開始對發(fā)動機葉片防護進行研究與應用。到了70年代中期，ZrO2-12Y2O3/NiCrAlY材料作為TBC在J-75發(fā)動機葉片上使用，這是TBC首次應用在燃氣輪機葉片上，具有標志性意義。此后，TBC逐漸實現(xiàn)工業(yè)化，在航空航天發(fā)動機防護方面的應用更為突出。圖1.2典型的熱障涂層體系結構典型的熱障涂層體系示意圖如圖1.2所示，包括：（1）高溫合金基體（Substrate），通常選用鎳基或鈷基高溫合金材料，承載結構負荷；（2）金屬粘結層（Bondcoat），提高陶瓷層與金屬基體的相結合性，并具有耐氧化侵蝕的作用；（3）表面陶瓷
4般采用低壓或真空等離子噴涂、物理氣相沉積或者超音速火焰噴涂等方法來制備。MCrAlY涂層具備很好的耐氧化與耐腐蝕性能且塑性極好。高溫服役過程中，MCrAlY中的Al將向外擴散，在粘結層表面將會被氧化，產生致密的Al2O3保護層（也即所謂的TGO），致密的氧化鋁層具有較低的氧擴散能力和很好的粘附性，從而通過防止氧對粘結層的繼續(xù)侵蝕來保護基體[12,13]。高含量的Al雖然能形成致密的保護膜但也會使涂層的脆性增大，因此通常MCrAlY中的Al含量控制在8~12wt.%。MCrAlY中的Cr的作用是提高合金的耐氧化及抗硫腐蝕能力。微量稀土元素Y有著氧化物釘扎和細化晶粒的效果，使得TGO與基體粘結性更好，對涂層的使用壽命的延長具有顯著意義。此外，MCrAlY中還可以加入像Si、Hf、Ta、Zr等合金元素來進一步提高涂層的耐氧化性[14]。圖1.3燃氣輪機工作溫度發(fā)展1.2.2.3表面陶瓷層材料TBC表面陶瓷層材料主要是利用陶瓷材料具有很好的高溫耐熱耐蝕性和低熱導率來保護合金基體。因此，陶瓷材料的選擇必須具有以下特點[1]：（1）高熔點；（2）高溫不發(fā)生相變；（3）低熱導率；（4）熱膨脹系數(shù)接近于合金基體；（5）具有高溫低燒結率及耐腐蝕能力；（6）力學性能優(yōu)異等。因此可用于TBC的表面陶瓷層材料極其有限，迄今，能夠滿足以上所有特點的單一陶瓷材料未曾發(fā)現(xiàn)。在眾多陶瓷材料中，因氧化鋯具有高熔點、低熱導、熱穩(wěn)定性好以及與高溫合金基體熱膨脹系數(shù)接近等特點，成為目前在TBC體系中應用最好的材料。目前，8wt.%氧化釔部分穩(wěn)定的氧化鋯（8YSZ）已被普遍地應用在熱障涂層表面陶瓷材料中[15,16]。
【參考文獻】：
期刊論文
[1]高推重比發(fā)動機熱障涂層應用現(xiàn)狀分析[J]. 田偉,何愛杰,鐘燕,牟仁德,張甲. 燃氣渦輪試驗與研究. 2016(05)
[2]納米8YSZ粉的熱處理對等離子噴涂涂層熱震性能的影響[J]. 陳濤,惠宇,胥佳穎,鄒兵林,曹學強,趙修建. 中國稀土學報. 2016(02)
[3]葉片電子束物理氣相沉積熱障涂層制備及其對葉片高溫合金基體力學性能影響研究[J]. 劉輝,張衛(wèi)紅,高浚,劉國慶. 熱噴涂技術. 2016(01)
[4]熱障涂層技術在航空發(fā)動機渦輪葉片上的應用[J]. 李釗,蔡文波. 航空發(fā)動機. 2015(05)
[5]鎳基單晶高溫合金研究進展[J]. 孫曉峰,金濤,周亦胄,胡壯麒. 中國材料進展. 2012(12)
[6]渦輪葉片氣膜孔加工技術及其發(fā)展[J]. 朱海南,齊歆霞. 航空制造技術. 2011(13)
[7]熱障涂層在航空發(fā)動機渦輪葉片上的應用研究[J]. 張志強,宋文興,陸海鷹. 航空發(fā)動機. 2011(02)
[8]熱障涂層的破壞機理與壽命預測[J]. 周益春,劉奇星,楊麗,吳多錦,毛衛(wèi)國. 固體力學學報. 2010(05)
[9]先進航空發(fā)動機熱障涂層技術研究進展[J]. 郭洪波,宮聲凱,徐惠彬. 中國材料進展. 2009(Z2)
[10]空位對Sm2Zr2O7陶瓷熱膨脹系數(shù)的影響[J]. 徐強,王富恥,朱時珍,張紅松,劉玲,萬春磊,瞿志學,潘偉. 稀有金屬材料與工程. 2007(S2)
碩士論文
[1]R2Zr2O7型稀土鋯酸鹽熱障涂層的組織結構及CMAS腐蝕行為[D]. 張維亨.哈爾濱工業(yè)大學 2012
本文編號：3112491
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