热障涂层高温氧化行为和残余应力的测定

摘要

热障涂层(TBCs:Thermal Barrier Coatings)可以提高热端部件的可靠性和耐久性,进而改善航空发动机和燃气轮机的性能和热效率。热障涂层也可用作低散热发动机燃烧室的隔热陶瓷涂层。试验采用超音速火焰喷涂技术在内燃机用球墨铸铁表面制备CoNiCrAlY粘结层(BC:Bond Coat),用大气等离子喷涂技术制备8YSZ陶瓷层(TC:Top Coat),测定了其高温氧化性能及残余应力。
　　涂层经过1050℃高温氧化2.5、8、15、50和100h后,用扫描电子显微镜、能谱仪、X射线衍射仪等仪器对涂层进行分析,研究了涂层的TC层/BC层和BC层/Substrate界面的热生长氧化物(TGO:Thermally Grown Oxides)的生长情况,相变过程以及元素扩散情况,发现除了在TC层与 BC层界面形成 TGO层外,在BC层/Substrate界面也形成层状或块状氧化物层,成分主要为Al2O3,并且基体与BC层之间发生了Fe、Ni、Cr和Co的互扩散现象;涂层的氧化动力学过程过程可分为氧化初期、稳定氧化期和复杂氧化期三个阶段。
　　涂层残余应力与宏观热失配和陶瓷层的相变有着紧密的联系。试验建立数学模型,计算了涂层由于热失配而产生的宏观应力,发现随高温氧化时间的增加,宏观应力呈现压应力,并随TGO厚度的变化而减小,但是幅度很小。采用拉曼荧光光谱法测定了不同高温氧化时间的TGO中残余应力的大小,通过 Al2O3的特征峰的频移,可以发现过渡态θ-Al2O3向稳定态α-Al2O3的转变;试验测定了厚陶瓷涂层中残余应力分布情况,发现 TC层中纵向贯穿裂纹附近和靠近 TGO处的微裂纹区域应力值不同程度地减小。根据拉曼荧光光谱分析可知陶瓷层未发生相变,故TC层中的应力释放可以归因于微裂纹的生成和扩展。

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第一章 绪论

1.1低散热内燃机与热障涂层

1.2热障涂层制备技术简介

1.3热障涂层结构体系

1.4热障涂层的服役与失效机制

1.5 热障涂层材料及其最新进展

1.6 本文的选题背景、意义和研究内容

第二章 热障涂层的制备及检测技术

2.1热障涂层的制备工艺

2.2热障涂层的结构组织和性能的测试方法

2.3样品的制备、分析表征设备

第三章 热障涂层热生长氧化物研究

3.1涂层截面微观形貌和缺陷

3.2高温氧化热生长氧化物研究

第四章 涂层残余应力分析

4.1球墨铸铁基热障涂层的宏观应力计算模型

4.2球墨铸铁基热障涂层拉曼荧光光谱分析

4.3厚陶瓷层的残余应力分析

第五章 结论

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

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