APS制备SiC纤维增强YSZ复合厚涂层热防护性能研究

摘要

热障涂层（TBC）是一种常用的高温热防护涂层，被广泛应用于高速飞行器或其它高速移动平台的表面热防护。传统的热障涂层通常是一个复式结构，它包含两个部分：金属粘结层和顶层陶瓷层。由于具有较高的热膨胀系数和断裂韧性，氧化钇部分稳定的氧化锆（YSZ）是最常用的热障涂层材料。随着技术的发展进步,高速飞行器对于表面热障涂层的隔热性能要求越来越高,传统的热障涂层系统很难满足其使用要求，研制更高隔热性能的热障涂层系统成为一种必然。Michael的研究表明，提高涂层的厚度和降低涂层的热导率能够有效的提高涂层的隔热性能，为开发新型热障涂层系统指明了研究方向。本文从传统的YSZ热障涂层的结构入手，通过雾化造粒制备团聚体粉末，然后采用等离子喷涂技术在镍基高温合金上制备出类似“钢筋混凝土结构”的SiC纤维和 YSZ（SFY）复合厚热障涂层，涂层的厚度达到4mm以上，在此基础上，以传统的YSZ热障涂层为参照，系统的研究了复合厚热障涂层的高温性能和失效机理，并对涂层中的残余应力状态进行了分析。
　　采用雾化造粒技术分别制备YSZ纳米团聚粉末和YSZ纳米粉与珍珠岩粉复合的团聚粉末（P7216复合粉末），对团聚粉末的微观形貌进行观察，并对粉末的流动性和松装密度进行测试。结果表明，团聚粉末的雾化工艺合理，YSZ和P7216团聚粉末的最佳喷涂粒径范围分别为：45～75μm和45～63μm。
　　采用扫描电镜对复合涂层的微观形貌进行观察，并分别对1.5mmYSZ热障涂层和4mmSFY复合厚热障涂层的孔隙率、热导率、隔热性能、抗高温氧化性能和断裂韧性进行测试。研究发现厚的SFY热障涂层具有较高的孔隙率、低热导率、较好的隔热性能以及较高的断裂韧性，其热导率为0.632W/mK，断裂韧性为1.67Mpa·m1/2，相比于YSZ热障涂层的性能都有成倍的提高。但是SFY涂层内部较高的裂纹密度和孔隙率导致其抗高温氧化性能较差。
　　本文着重讨论了SFY涂层的抗热震性能，基于中航工业的热循环测试标准Q/AVIC06016.1-2013，测试了1000℃下不同厚度涂层的抗热冲击性能。结果表明，涂层的热震寿命与顶层陶瓷层的厚度呈负向变化，当顶层陶瓷层的厚度为1.5mm时，YSZ涂层的热循环寿命为24，SFY涂层的热循环寿命为76次，其大小为YSZ涂层的3.2倍。此外，当SFY热障涂层中的顶层陶瓷厚度增加到4mm时，其热循环寿命降为53.3次，仍然远远高于1.5mm厚的YSZ热障涂层。通过测试不同厚度热障涂层的热循环寿命计算得到了表征热循环寿命对陶瓷层厚度依赖性的厚度影响因子η，YSZ涂层的厚度影响因子为129.6，SFY涂层的厚度影响因子大小为0.95，YSZ涂层的热震性能严重依赖于顶层陶瓷层的厚度。通过对涂层的微观形貌、失效涂层断面的元素和相结构分析，得出了YSZ热障涂层和SFY热障涂层的高温氧化和失效机制。研究结果表明，两种涂层的失效部位不同、失效形式以及失效机制各不相同。YSZ热障涂层的失效主要发生在粘结层和顶层陶瓷的结合部，涂层的失效主要是由热生长长氧化物（TGO）和裂纹相互促进不断侵蚀粘结层引起。SFY热障涂层的失效主要发生在纤维过渡层和YSZ陶瓷层的界面处，其失效形式表现为无征兆突然性破碎失效，涂层的热震失效，主要是由于纤维的氧化引起涂层内部的裂纹交叉长大导致纤维层和陶瓷层之间的层间开裂，TGO层的增厚不是导致SFY热障涂层失效的原因。能谱分析（EDS）结果显示TGO层主要由Al和O元素构成。
　　创新性的运用独立外涂层体系，考察了珍珠岩对于涂层高温下的相稳定以及微观结构的影响，在此基础上，确定 P7216复合粉末的成分配比。由于热障涂层中的残余应力来源广泛，定量分析困难，本文对热障涂层系统进行理想化的假设，建立弹性应力应变模型并结合XRD衍射分析法和拉曼光谱法对涂层的内的残余应力进行分析，为涂层的结构优化提供理论基础。

目录

声明

第1章 绪论

1.1热障涂层概述

1.2热障涂层的失效

1.3热障涂层中的应力

1.4涂层中团聚粉末制备

1.5本文研究目的、意义和内容

第2章 实验过程和研究方法

2.1引言

2.2 涂层结构和工艺流程

2.3 团聚体粉末和热障涂层制备

2.4 团聚体粉末及涂层的成分和微观形貌分析

2.5 团聚体粉末的物理性能分析

2.6 热障涂层性能测试

第3章 团聚体粉末制备

3.1 团聚体粉末形貌

3.2 珍珠岩对于涂层结构及相稳定的影响

3.3流动性和松装密度

3.4本章小结

第4章 热障涂层的制备及性能研究

4.1 涂层形貌及微观结构

4.2热障涂层性能

4.3本章小结

第5章 涂层的抗热震性能

5.1引言

5.2涂层的抗热震性能实验

5.3实验结果分析和讨论

5.4本章小结

第6章 SFY复合厚热障涂层残余应力分析

6.1引言

6.2 SFY涂层的应力模型

6.3 SFY涂层残余应力测试

6.4 SFY涂层残余应力的分析与讨论

6.5 本章小结

第7章 结论

7.1研究结论

7.2创新点总结

7.3对下一步工作的建议

致谢

参考文献

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