强流脉冲电子束作用下热障涂层热生长氧化物生长行为与应力状态

来源 :江苏大学 | 被引量 : 18次 | 上传用户:zzdlily_4000
下载到本地 , 更方便阅读
声明 : 本文档内容版权归属内容提供方 , 如果您对本文有版权争议 , 可与客服联系进行内容授权或下架
论文部分内容阅读
涂覆抗高温氧化和热障性能的热障涂层(TBCs)材料是提高航空涡轮发动机热端部件耐高温性能的主要方法,热生长氧化物(TGO)的非受控生长是导致TBCs在长期高温服役环境中产生失效的主要因素,也是研发高性能航空发动机所面临的关键技术难题。本文则以TBCs-TGO为研究载体,利用强流脉冲电子束(HCPEB)表面处理技术干预TGO的生长和演化行为,旨在改善TBCs的高温服役性能。本课题采用大气等离子喷涂(APS)的方法在基体合金表面制备双层结构的TBCs,粘结层(BC)为CoCrAlY,陶瓷层(TC)为ZrO2-8wt%Y2O3 (YSZ),并利用HCPEB表面改性手段分别对MCrAlY粘结层和YSZ陶瓷层表面进行轰击处理。采用高温氧化实验、热循环实验和拉伸实验评价TBCs的性能,利用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、三维激光扫描显微镜(LSM)、原子力显微镜(AFM)、透射电子显微镜(TEM)和显微共聚焦激光拉曼光谱仪(MRS)等多种表征及测试手段重点考察HCPEB辐照对涂层材料微观结构的影响,总结和建立表面改性技术—微观结构状态—高温服役性能之间的关系,研究表面处理条件下TGO的生长和演化行为及TBCs的失效机制,为提高TBCs的使用寿命提供必要的理论储备。APS制备的粘结层具有堆积式片层结构特征,层间为黑色氧化物;涂层表面粗糙不平,存在大量的空隙、孔洞、未熔或半熔化小颗粒及氧化物夹杂等喷涂缺陷。1050℃高温氧化实验结果显示,APS-TBCs高温氧化过程分为三个阶段:(1)瞬时氧化阶段,该阶段氧化动力学曲线服从直线规律,短时间内氧化膜增厚较为明显;(2)缓慢氧化阶段,该阶段TGO增长速率成小斜率直线增长,TGO呈双层结构,即混合氧化物层和α-Al2O3层;(3)加速氧化阶段,该阶段TGO增长速率成大斜率直线增长,主要以混合氧化物为主。200h氧化后,TGO厚度为11.12μm,并且在混合氧化物区域形成具有贯穿趋势且沿界面方向扩展的横向裂纹。热循环结果显示,APS-TBCs经过200次热循环后涂层表面剥落面积占总面积的34%,涂层宣告失效;150次热循环后TGO内部平均残余应力高达1.28GPa。利用HCPEB处理MCrAlY粘结层,涂层表面发生重熔,表面空隙、孔洞等喷涂缺陷消失,形成相互连接的胞状凸起结构,内部为晶粒尺寸约1~3μm的垂直于表面方向的柱状晶。此外,重熔层表面形成多种形态的纳米颗粒及位错、层错和孪晶等特殊的变形结构。温度场模拟结果显示,HCPEB处理后涂层表面存在熔化和蒸发两种模式,是导致材料表面形成特殊形貌的主要原因。高温氧化实验结果表明,HCPEB处理后,TGO的生长遵循Wagner氧化抛物线理论,TGO始终保持单层生长形态,其生长过程也分为三个阶段,但相比于原始涂层,脉冲电子束处理后带来的辐照效应能够促使连续致密的α-Al2O3膜在瞬时氧化阶段快速形成,一旦重熔层表层α-Al2O3保护膜形成,TGO的生长速度则明显变缓,且接近恒速生长,即使在氧化后期,TGO的生长速度也十分缓慢,200h氧化后TGO厚度仅为4.41μm,说明HCPEB处理后TBCs的耐高温氧化性能明显提高。拉伸试验结果显示,HCPEB处理后TBCs的界面结合强度高于APS-TBCs。热循环结果显示,HCPEB处理后TBCs经过200次热循环后涂层表面仅出现1%的边角脱落,150次热循环后TGO内部平均残余应力仅为860MPa,说明HCPEB处理后氧化膜的内应力得到有效地释放。利用HCPEB处理YSZ陶瓷层,微观组织结果显示,原始涂层表面粗糙多孔的缺陷结构消失,形成均匀、致密的重熔层,重熔层具有表面等轴晶+层内柱状晶的双层组织结构,且辐照表面的表面粗糙度随轰击次数的增加而降低;此外,重熔层内部出现沿热流方向的网状垂直裂纹,并随着轰击次数的增加裂纹的龟裂程度增加;柱状晶和垂直裂纹的形成有利于提高TC层的应变容限。XRD结果显示,APS-YSZ主要由少量的单斜相m和四方相t’构成,而脉冲电子束轰击处理后,t’相的含量增加,m相的含量逐渐降低。高温氧化实验结果显示,脉冲电子束处理前后TGO均为双层结构,但处理涂层的TGO厚度明显小于原始涂层。
其他文献
实行股票发行注册制对于我国资本市场的发展具有重要意义。本文首先对我国实行股票发行注册制的困境作出讨论,针对困境产生的具体原因,结合我国证券市场实际发展情况,提出几
据《泰国世界日报》报道,泰国交通部助理部长派林9月15日透露,机场管理厅将投资345亿铢用于空中交通和全国28座二线城市机场,并制定20年发展规划蓝图,以提升国民生活质量.机
针对汽车冷却系统中冷凝器、散热器和风扇的布置进行了研究,通过软件计算了不同冷却系统布置方式的冷却风进风量和流场特性,对比分析了三种情况的冷却系统进风效率。研究表明
鉴于我国高校化学实验大多至今仍沿用传统教学模式的情况,从大学化学实验教学的现状出发,结合绿色化学、低碳经济的科学理念谈实施微型化学实验教学的必要性和可行性,意在促
灵芝娇贵,生长条件苛求,人工栽培由于受季节气温和卫生等环境因素影响,其产、质量受到限制。为了适应大规模栽培灵芝控湿要求,笔者设计采用直接通入锅炉蒸汽控制调湿的方案,
<正>李克强总理在2014年《政府工作报告》中指出,我国支撑发展的要素条件正在发生深刻变化,深层次矛盾凸显,正处于结构调整阵痛期、增长速度换档期,到了爬坡过坎的紧要关口。
期刊
N-杂环卡宾(NHCs)及其金属配合物是有机金属化学学科的研究热点,在催化领域获得广泛应用。向NHCs杂环添加新颖官能团,构建复杂NHCs及其金属配合物可实现不同催化性能。糖类化
<正> 我国明代杰出的旅行家和地理学家徐霞客,不求名利,不入仕途,将毕生精力献身于祖国的地理考察事业。他从二十二岁开始出游,直到五十六岁去世,其足迹遍布大半个中国。他的
H型钢具有众多优点,在建筑、造船、机械制造等众多领域均有广泛的应用,是国家鼓励使用的节能环保型“绿色钢材”。H型钢复杂多样的使用环境对H型钢的组织和性能提出了新的、