等离子喷涂热障涂层的氧化行为及失效分析

发布时间：2017-04-23 08:06

  本文关键词：等离子喷涂热障涂层的氧化行为及失效分析，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：本文以先进燃气轮机涡轮叶片用热障涂层为背景，通过对不同热处理工艺后Ni基高温合金基体/超音速火焰喷涂CoNiCrAlY粘结涂层/等离子喷涂7wt.%Y2O3-ZrO2热障涂层系统的结合强度及热震性能的研究，确定涂层的热处理工艺。分别采用9M型等离子喷涂设备、7700-SG100型以及7700-F4型等离子设备喷涂陶瓷面层获得三种不同组织形貌的热障涂层，进行950℃下的等温氧化和循环氧化，发现涂层长期氧化的氧化物呈层状分布，明确了该热障涂层等温氧化失效始于TGO/陶瓷层界面和陶瓷层表面，深入分析了热障涂层的失效过程、原因以及陶瓷层组织对涂层氧化失效的影响。研究结果对认识等离子涂层氧化过程、氧化失效机理以及叶片的实际生产工艺具有指导意义。 粘结层经1120℃，2h以及850℃，24h真空热处理，再喷涂陶瓷面层获得的热障涂层具有良好的拉伸和热震性能，选定为涂层的热处理工艺。 氧化初期在粘结层界面生成大量的-Al2O3氧化物，以及少量的Cr2O3、Co3O4。等温氧化100h时，TGO中氧化物的含量急剧增加，-Al2O3不断向-Al2O3转化，TGO生长极其不均匀。等温氧化400h，TGO层分为两层：内层是致密的-Al2O3膜，外层-Al2O3、Cr2O3、Co3O4、NiO以及(Ni,Co)(Al,Cr)2O4等尖晶石类氧化物，并含有大量空洞。950℃下等温氧化1100h时，TGO中存在大量裂纹，部分氧化膜剥落。在氧化过程中，由于Al2O3的形成，粘结层中的-NiAl相不断转化成/相，在粘结层表面之下形成一条不断扩大的贫铝带。在等温氧化中，，7700-F4型等离子设备喷涂的C组涂层最先失效，涂层失效方式为：陶瓷层表面轴向开裂和陶瓷层从TGO/陶瓷层界面处剥落。失效过程为：陶瓷层表面的纵裂纹向陶瓷层内部扩展，造成表面的开裂并不断扩大；在TGO凸起处，纵向裂纹形核长大，向陶瓷层表面方向扩展；TGO/陶瓷层界面处和距陶瓷层表面1/3处横向裂纹扩展形成大尺寸裂纹，与纵裂纹交汇连通，引起涂层开裂剥落失效。涂层失效机理为：热生长应力、热膨胀失配应力和相变应力作用在界面薄弱处，驱动裂纹的萌生和扩展，导致陶瓷层开裂剥落。
【关键词】：热障涂层 等离子喷涂 氧化 失效 裂纹
【学位授予单位】：沈阳工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG174.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-19
• 1.1 课题研究背景及意义10
• 1.2 热障涂层的结构10-11
• 1.3 热障涂层材料11-13
• 1.3.1 陶瓷材料11-12
• 1.3.2 粘结层材料12-13
• 1.4 热障涂层制备工艺13-15
• 1.4.1 等离子喷涂原理及特点13-14
• 1.4.2 超音速火焰喷涂的原理及特点14
• 1.4.3 电子束物理气相沉积的原理及特点14-15
• 1.4.4 DVC 喷涂原理及特点15
• 1.4.5 高能等离子喷涂原理及特点15
• 1.5 TGO 的形成过程及机理15-16
• 1.6 热障涂层的失效机制16-17
• 1.7 热障涂层存在问题及发展趋势17-18
• 1.7.1 热障涂层存在问题17
• 1.7.2 热障涂层发展趋势17-18
• 1.8 课题主要研究内容及试验方法18-19
• 第2章 试验材料、方法及设备19-26
• 2.1 实验材料19-20
• 2.2 试验方法20-24
• 2.2.1 总体思路20-21
• 2.2.2 试样制备21-22
• 2.2.3 真空热处理工艺优化22-23
• 2.2.4 等温氧化和循环氧化试验23-24
• 2.3 实验设备24-25
• 2.4 试样观察与分析25-26
• 第3章 热障涂层的等温氧化行为26-47
• 3.1 真空热处理工艺选取26-28
• 3.1.1 拉伸及热震实验结果26-27
• 3.1.2 热处理前后粘结层的显微组织形貌及相组成27-28
• 3.2 粘结层的等温氧化行为28-32
• 3.2.1 粘结层氧化的表面形貌28-29
• 3.2.2 粘结层氧化的物相分析29-31
• 3.2.3 粘结层氧化过程分析31-32
• 3.3 热障涂层的等温氧化32-38
• 3.3.1 氧化前涂层组织形貌32-34
• 3.3.2 热障涂层的氧化动力学分析34-35
• 3.3.3 热障涂层的高温氧化过程35-38
• 3.4 热障涂层氧化失效分析38-47
• 3.4.1 涂层宏观失效方式38-40
• 3.4.2 涂层氧化失效过程40-44
• 3.4.3 涂层失效原因分析与讨论44-45
• 3.4.4 陶瓷层组织对涂层氧化失效的影响45-47
• 第4章 热障涂层循环氧化行为47-51
• 4.1 粘结层氧化的表面形貌及物相47-48
• 4.2 热障涂层氧化的截面形貌和元素分布48-50
• 4.3 热循环氧化结果分析50-51
• 第5章 结论51-52
• 参考文献52-56
• 在学研究成果56-57
• 致谢57

【参考文献】

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本文编号：322061