7YSZ/Al2O3/Ni-343多层热障涂层的同步合成及其性能研究

摘要

热障涂层是一类用于隔热、抗氧化、抗腐蚀的功能材料,它们能有效地保护在高温等恶劣环境下工作的部件。近年来,随着航天航空领域的飞速发展,对热障涂层的性能提出了越来越高的要求。因此,研制性能优异的新型热障涂层系统,开发先进的涂层制备新技术是当今材料科学领域的研究重点之一。为此,本文以7YSZ/Al2O3/Ni-343(7YSZ:ZrO2-7wt.％Y2O3;Ni-343:Ni22Cr10A11Y)纳米涂层的同步合成和性能分析为目标,采用放电等离子烧结(Spark PlasmaSintering,SPS)技术为手段,通过对涂层的结构及其制备工艺的控制,成功地制备出具有纳米结构的7YSZ/Al2O3/Ni-343热障涂层,并对其各项性能进行了系统研究。
　　 以纳米7YSZ粉末、纯Al薄膜和预先低温球磨得到的纳米Ni-343合金粉末为原料,采用放电等离子烧结技术,在不同烧结温度、轴向压力、保温时间条件下制备出了不同结构的7YSZ/Al2O3/Ni-343热障涂层。研究了低温球磨对Ni-343粉体显微结构的影响,以及放电等离子烧结工艺与热障涂层组织、结构和性能之间的关系;对比了含有纳米和微米Ni-343粘结层热障涂层的结合强度、抗氧化行为和抗热冲击性能;并通过对Ni-343合金块体试样的进一步研究,确立了Ni-343合金微观结构、物相组成与力学性能的相互依赖关系,集中分析了纳米化对Ni-343合金以及热障涂层系统显微结构和性能的综合影响。
　　 实验结果表明,低温球磨技术可以有效地减小Ni-343粉体的晶粒尺寸至20-70nm。采用放电等离子烧结技术可以同步获得结构均匀、结合紧密、高温性能优异的纳米7YSZ/Al2O3/Ni-343热障涂层,其最佳制备参数为:7YSZ陶瓷层厚度500μm,Ni-343粘结层厚度150μm:烧结温度1000℃,轴向压力50MPa,保温时间3min。与微米涂层相比,含有纳米Ni-343粘结层的热障涂层具有更好的层间结合强度、抗氧化性能、以及较长的抗热冲击循环寿命。显微结构研究表明:热障涂层性能的提高与界面生成的Al2O3热生长氧化层(TGO)的结构、形貌密切相关。对Ni-343合金的研究发现,纳米Ni-343合金具有较高的显微硬度,并且其微观结构与力学性能在高温下比较稳定。
　　 本研究结果表明:采用放电等离子烧结技术可以在短时间内同步合成结构复杂的多层热障涂层,得到综合性能优异的热障涂层材料。这对于发展先进热障涂层的制备工艺具有积极的实际意义和良好的应用前景。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 热障涂层研究进展

1.2.1 热障涂层结构

1.2.2 陶瓷层材料的选择

1.2.3 粘结层材料的选择

1.3 热障涂层制备技术

1.3.1 等离子喷涂技术

1.3.2 电子束增强物理气相沉积技术

1.3.3 等离子体增强化学气相沉积技术

1.3.4 放电等离子烧结技术

1.3.5 纳米热障涂层制备技术

1.4 工作的提出、意义和内容

第2章 素材合成与表征方法

2.1 实验材料

2.1.1 基底材料

2.1.2 涂层材料

2.2 实验方法和技术路线

2.3 试样制备

2.3.1 纳米Ni-343粉末的制备

2.3.2 热障涂层的制备

2.3.3 Ni-343合金块体的制备

2.3.4 退火处理

2.4 粉末、涂层及Ni-343合金微观组织结构分析方法

2.4.1 电镜和能谱分析

2.4.2 X射线衍射分析

2.4.3 粉末粒度分析

2.4.4 差热分析

2.5 涂层性能测试

2.5.1 涂层孔隙率测试

2.5.2 涂层结合强度测试

2.5.3 涂层高温抗氧化性能测试

2.5.4 涂层抗热震性能测试

2.6 Ni-343的高温热处理与力学性能测试

2.6.1 Ni-343的合金高温热处理

2.6.2 Ni-343合金显微硬度测试

第3章 多尺寸、多结构组织的形成与结构分析

3.1 7YSZ粉末

3.2 Ni-343粉末

3.2.1 原料Ni-343粉末

3.2.2 低温球磨制备纳米Ni-343粉末

3.3 放电等离子烧结过程分析

3.4 涂层组织结构分析

3.4.1 7YSZ陶瓷层组织结构

3.4.2 原位TGO的形成与界面结构

3.4.3 纳米Ni-343粘结层组织结构

3.5 小结

第4章 Ni-343合金高温结构演化及其力学性能

4.1 Ni-343合金的高温结构演化

4.1.1 Ni-343合金微观组织结构

4.1.2 晶粒均匀长大过程

4.1.3 β相晶粒优先长大过程

4.1.4 相变过程

4.2 Ni-343合金相平衡计算

4.2.1 相组成随氧含量的变化关系

4.2.1 相组成随温度的变化关系

4.3 Ni-343合金显微硬度分析

4.3.1 多相平均显微硬度

4.3.2 单相显微硬度

4.4 纳米化对Ni-343合金显微结构和力学性能的影响

4.5 小结

第5章 热障涂层制备工艺、结构与性能的关系

5.1 热障涂层结合强度分析

5.1.1 结构对涂层结合强度的影响

5.1.2 制备工艺对涂层结合强度的影响

5.2 热障涂层高温抗氧化性能

5.2.1 涂层结构与抗氧化性能的关系

5.2.2 制备工艺与涂层抗氧化性能的关系

5.3 热障涂层抗热冲击性能

5.3.1 热障涂层热冲击应力分析

5.3.2 涂层结构对抗热冲击循环寿命的影响

5.3.3 制备工艺对抗热冲击循环寿命的影响

5.4 小结

第6章 结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文目录

致谢