自修复热障涂层及激光制备方法的研究现状

简介：航空技术的发展对国防和经济建设具有重要影响，涉及国家安全和国民经济和民生的核心利益。航空涡轮发动机是现代航空飞机的核心，标志着航空技术的发展。对飞行速度，飞行距离和安全性能的不断增长的需求导致了具有高推力，高效率，低油耗和长寿命的航空涡轮发动机的发展。因此，需要不断提高涡轮发动机前涡轮温度。作为提高涡轮发动机涡轮前温度的最有效措施，叶片材料表面上的热障涂层（TBC）的制备是半个世纪以来材料科学领域的长期热点。进入21世纪后，中国对航空涡轮发动机的需求也在增加。同时，工业燃气轮机也需要热障涂层。因此，热障涂料的研究，开发和制备技术具有巨大的市场和经济，军事社会效益。 1.热障涂层的发展历史热障涂层研究始于20世纪40年代末和50年代初。美国国家航空航天局首先将其应用于X-15火箭喷嘴，创造了速度（6.72Mach）和天花板。 （108公里）记录。 20世纪70年代中期，双层涂层体系（粘合层+氧化钇部分稳定氧化锆（YSZ））的开发成功地在热障涂层研究方面取得突破，并开始广泛应用于燃气轮机叶片，导叶，热诸如火焰管之类的端部被称为第一代热障涂层。在20世纪80年代早期，Prattamp，Whitney，USA使用低压等离子喷涂（LPPS）来制备更耐用的金属粘接层NiCoCrAlY，寿命。使用大气等离子喷涂（APS）的第一代热障涂层的寿命增加了2.5倍。在20世纪80年代后期，使用LPPS制备的金相层，利用电子束物理学开发了第三代热障涂层。通过气相沉积（EB-PVD）制备YSZ陶瓷层。燃烧器测试表明，第三代热障涂层的寿命是第二代热障涂层的10倍，这可以使刀片寿命增加3倍。最后，开发出第四代热障涂层，其具有较低的导热性。在JTDEXTE76演示器低压涡轮叶片上成功测试了涂层。经过数十年的发展，热障涂层工艺随着涂层制备技术的发展而不断改进，由APSrarr，LPPSrarr，EB-PVD开发。近年来，激光制备技术还可以提高陶瓷涂层的密度并减少高温条件下氧气的渗透。它已经出现在热障涂层工艺的研究中并取得了初步成果。热障涂层（粘接层+陶瓷层）的双涂层体系结构几十年来基本保持不变，但涂层成分和细微结构不断研究和开发。国内外许多学者对陶瓷层进行了研究，美国宇航局在实验室成功开发了HfO2-Y2O3热障涂层。测试结果表明添加了多种氧化物的热障。涂层具有更好的热循环性能。有学者认为，稀土锆酸盐是未来热障涂层的发展方向，而稀土锆酸盐材料A2B2O7（A = La，Nd，Sm，Gd，Dy，Er，Yb，B = Zr，Ce等）导热系数低，相温和化学成分在高温下更稳定，应用前景良好，但稀土锆酸盐热障涂层也具有粘接层的热膨胀系数和热膨胀系数。需要解决稀土锆酸盐的韧性不足，抑制裂纹萌生和膨胀的能力以及复杂的制备工艺的问题。 2.热障涂层的失效机理a。的工作条件涡轮发动机要求很高，涡轮机在典型的工作循环中最高工作温度约为1350°C，长期工作温度为800-900°C。影响热障涂层失效的因素很多最主要的材料不匹配，界面氧化等。最广泛使用的热障涂层陶瓷层材料为6％~8％Y2O3部分稳定的ZrO2（6~8YSZ），YSZ热障涂层一般由粘接层组成。 （BC）和顶层（TC）。粘合层的常用材料是MCrAlY（其中M代表Ni），Co或NiCo），在高温条件下，粘合层中的Al与从陶瓷层扩散的氧反应形成非常薄且致密的Al2O3热氧化生长层（TGO）。陶瓷层的主要功能是隔热。粘合层的主要功能是在加热和冷却过程中减轻金属基质和陶瓷层之间的热应力不匹配。 TGO作为粘合层和基材的高温抗氧化涂层。基板主要承受机械载荷。在热循环载荷作用下，各组分遵循动态原理相互作用，以动态平衡的方式实现热障效应。早期的热障涂层由于陶瓷层易于分解和相对低的温度耐受性而易于失效。通过使用Y 2 O 3代替MgO和CaO作为稳定剂，陶瓷层的稳定性大大提高，并且涂层失效也从陶瓷层的不稳定性转移到粘合层。当Al在接合层中被选择性氧化时，在接合层中形成具有低压缩强度的NiO结构，并且富NiO部分比Al2O3更容易破裂和膨胀，从而导致涂层脱落。第二代热障涂层使用LPPS方法制备MCrAlY粘合层，这减少了制备过程中有害氧化物的形成并增加了涂层的密度，从而大大消除了预先存在的氧化物晶核。改变热障涂层的氧化模式以解决由接合层NiO引起的故障问题。在长期热循环过程中，热障涂层由于材料的不同热膨胀系数而产生热应力，并且TGO的氧化生长导致热障涂层中的裂缝，最终导致热障涂层和基板脱落，成为第二代。热障涂层的主要失效模式。涂层失效发生在粘合层和陶瓷层之间的界面附近，并且产生的裂缝平行于界面传播，并且通常保持在陶瓷层中。通过LPPS强化粘合层，并且涂层失效部分也由粘合层构成。转移到陶瓷层[9,10]。为此，通过EB-PVD法进一步沉积第三代热障涂层，以获得具有大应变耐受性的柱状晶体结构YSZ陶瓷层。制造过程中的变化导致失效形式的变化，并且在热生长的氧化物附近发生第三代热障涂层失效。随着工作时间的延长，在陶瓷层和粘合层之间形成的TGO逐渐增长。在应力作用下，在TGO或粘接层与TGO之间的界面处产生裂缝，导致陶瓷层脱落[4]。从上述隔热涂层的失效机理可以看出，在高温热氧化下不同位置（TC，BC或TGO）的开裂是YSZ隔热涂层失效的主要形式之一，并且其起始和传播控制裂缝得到改善。隔热涂层可抵抗热冲击并延长使用寿命。 3，自修复热障涂层裂纹萌生引起的高温热氧化和热应力是热障涂层不可逾越的材料科学瓶颈，有必要找到另一种寻找解决方案的途径。根据自我修复的理论ials，自修复热障涂层从两个方面延长了热障涂层的寿命：抑制氧化和防止裂纹扩展。自愈式热障涂层结合“智能涂层”的理念，使热障涂层根据外部条件的变化自发完成修复过程，是一种更先进的涂层技术路线。然而，陶瓷材料具有强的定向化学键，并且原子迁移能力非常有限，使得自修复行为非常困难。有学者发现，在高温条件下使用氧化产物可以填充一定量的陶瓷材料裂缝，并可以实现自修复功能。一些氧化产物具有精细结构，具有一定的机械强度，并对陶瓷基体具有一定的附着力。这种氧化产物可以理想地实现裂缝填充并恢复陶瓷材料的性能[12]。一些碳化物（TiC），氮化物（Si3N4）和三元陶瓷材料（Ti3AlC2）与陶瓷基体结合，高温氧化产物可以填充陶瓷中的裂缝或微孔，从而提高陶瓷材料的致密性。防止进一步氧化或腐蚀，达到自愈功能[13~15]。可用于热障涂层的自修复剂主要是TiC，SiC和MoSi2。 3.1氧化自修复热障涂层的抑制桃园欧阳等通过APS方法在YSZ和粘合层之间喷涂一层TiC纳米颗粒，并与渗透YSZ层的氧气反应，在600℃下生成TiO2和挥发性CO2。由于反应后形成的TiO2体积大于反应前TiC的体积（增加约53％）[16]，TiO2膨胀并填充到涂层的孔隙和裂缝中，以改善涂层的致密性，阻碍氧气的扩散，实现自我修复。特征。试验结果表明，自修复的TiC热障涂层中的微孔数量仅为传统热障涂层的1/3，氧化物重量增加减少30％，氧化面积百分比小于10 ％，抗氧化能力提高。在1000℃下热循环次数增加28.8％，热循环次数增加2倍，可以显着提高热障涂层的寿命。研究发现，隔热涂层的TiC含量不应超过25％（wt），以防止由于过渡体积膨胀导致涂层过早失效[17]。具有氧化抑制功能的另一种自修复热障涂层如图1所示。通过APS技术在常规热障涂层的陶瓷层的外表面上制备一层SiC涂层。在高温下，SiC颗粒与空气中的氧气接触，并在720℃下反应形成SiO 2。在反应之后，SiO 2体积在反应之前增加（约118％），并且SiO 2膨胀以填充由于热应力导致的YSZ涂层的微裂纹和微裂纹。孔隙密封涂层，降低氧的扩散速率，延迟粘合层的氧化，并改善TBC涂层的抗氧化和抗裂性。高温（1127℃）循环氧化试验结果表明，自修复YSZ涂层的抗氧化能力和抗剥落能力均为63.29％，抗剥落性能提高56.08％。图1.传统的热障涂层3.2裂纹自修复热障涂层目前，由于热应力开裂，热障涂层几乎是不可避免的，这是限制热障涂层使用寿命的关键因素之一。热点。一些学者研究了MoSi2作为热障涂层裂缝自愈剂的用途。 MoSi2具有低密度（6.24g / cm3）和小的热膨胀系数（8.5×10-6℃），类似于TBC材料的热膨胀系数（10×10-6℃）。 MoSi2在有氧条件下在500℃开始氧化，MoO3和SiO2在800℃以上，800℃以上，MoSi2首先被氧化形成Mo5Si3，然后进一步氧化形成易于挥发的MoO3。在工作温度下热障涂层，氧与MoSi2接触并经历氧化反应，产生MoO3挥发并保留SiO2。由于反应后形成的SiO 2在反应前体积增加（约138％），因​​此SiO 2膨胀。当涂层破裂时，可以将SiO 2挤压到周围的裂缝中以实现裂缝填充。 SiO 2与陶瓷层中的ZrO 2反应形成ZrSiO 4（锆石）。化学反应过程导致体积收缩和裂缝收缩。 ZrSiO4和ZrO2具有很强的粘结力，高硬度和高强度，提高了涂层的机械强度。恢复并实施自我修复过程。