大气等离子喷涂粒子氧化及其对热障涂层性能影响研究

摘要

以陶瓷面层和金属粘结层组成的热障涂层(TBCs)是目前应用最为广泛的重要涂层之一，它可使高温燃气和工作基体之间产生很大的温降，达到延长零件寿命、提高热机热效率的目的。大气等离子喷涂(APS)是制备热障涂层的主要方法之一，但该工艺制备的涂层中杂质含量高，而且涂层致密度和结合强度低，严重影响了涂层的使用性能。本文以铁粒子和NiCoCrAlY粒子为研究对象，研究了大气等离子喷涂过程中粒子的氧化行为及其对涂层微观组织的影响。进而研制了能减少大气等离子喷涂过程中粒子氧化的氩气保护罩。对比了粘结层添加氩气保护罩喷涂和未加氩气保护罩喷涂的两种热障涂层的性能，探讨了粒子在喷涂过程中的氧化行为对热障涂层性能的影响。 结果表明，在其它喷涂工艺参数确定的情况下，粒子飞行过程中的氧化程度主要取决于粒子的喷涂距离，喷涂距离越长，粒子氧化程度越大。粒子在飞行过程中的氧化形式与喷涂距离有关。在一定喷涂距离以内的等离子射流中心处(45mm)，粒子的氧化形式以对流氧化为主，在超过这个距离的后半段，粒子的氧化形式以扩散氧化为主。 在等离子喷涂过程中，粒子的氧化主要发生在飞行过程中和形成涂层过程中。对于铁粒子来说，形成涂层过程中的氧化程度与飞行过程中的氧化程度基本相当；对于NiCoCrAlY粒子而言，粒子的氧化主要发生在飞行过程中。粒子在飞行过程中的氧化对涂层的微观组织有很大的影响。飞行过程中粒子表面的氧化物形成扁平层间的氧化物夹杂，粒子内部的氧化物形成扁平层内部的氧化物。 添加氩气保护罩减少了粘结层粒子在喷涂过程中的氧化，改善了粒子的熔化情况，使粘结层中氧含量减少了41.56wt％、孔隙率降低了34.38％，同时还使涂层结合强度和显微硬度稍有提高。添加氩气保护罩还提高了热障涂层的抗高温氧化性能，使热障涂层氧化速率比APS热障涂层降低了20，37％。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1本课题的研究意义

1.2热喷涂粒子氧化机理及其保护方法研究进展

1.2.1粒子氧化过程

1.2.2粒子氧化的影响

1.2.3减少热喷涂粒子氧化的方法

1.3 等离子喷涂制备热障涂层研究进展

1.3.1等离子喷涂技术原理与特点

1.3.2等离子喷涂热障涂层存在的问题

1.4热障涂层的高温氧化

1.4.1金属的高温氧化

1.4.2热障涂层氧化引起的失效

1.5本课题来源及其主要研究内容

第2章试验材料、设备及研究方法

2.1 试验材料

2.1.1基体材料

2.1.2喷涂材料

2.2试验设备

2.2.1 等离子喷涂设备

2.2.2氩气保护罩

2.2.3粒子收集器

2.3样品制备

2.3.1涂层制备

2.3.2喷涂粒子样品制备

2.3.3金相试样制备

2.4粉末及涂层微观组织分析方法

2.4.1 电镜和能谱分析

2.4.2 X射线衍射相结构分析

2.4.3涂层孔隙率的测量

2.4.4氧含量的测量

2.4.5粒子表面氧化物厚度和热障涂层TGO厚度的测量

2.5涂层性能测试方法

2.5.1涂层结合强度的测量

2.5.2涂层显微硬度测量

2.5.3涂层高温氧化试验

第3章 金属粒子在等离子喷涂过程中的氧化行为

3.1粒子微观形貌

3.2喷涂距离对粒子微观形貌的影响

3.3粒子在飞行过程中的氧化机理

3.4粒子氧化对涂层微观组织的影响

3.5等离子喷涂涂层的氧化

3.6粒子氧化图解模型

3.7本章小结

第4章 添加氩气保护罩对热障涂层性能的影响

4.1粘结层微观组织结构

4.1.1粘结层结构

4.1.2粘结层孔隙率

4.1.3热障涂层结合强度

4.1.4粘结层显微硬度

4.2热障涂层抗高温氧化性能对比分析

4.2.1氧化动力学

4.2.2粘结层氧化后表面产物特征

4.2.3热障涂层氧化后截面组织形貌

4.2.4 TGO的生长

4.3本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢