魏志远-Thermal Barrier Coatings for Gas-Turbine.ppt

ThermalBarrierCoatingsforGas TurbineEngineApplications Science296 280 2002 DOI 10 1126 science 1068609 姓名 魏志远班级 硕2010学号 3112004018 contents 一 Introduction二 AnatomyofaTBC三 DamageAccumulationandFailure四 FutureOutlook 燃气轮机 应用于航空航天 军事舰船 发电机组 化工 冶金等领域燃气初温影响汽轮机效率工业和船舶 1200 航空 1300 2000 高温合金熔点 1200 涡轮叶片承受高温及热冲击应用热障涂层是常用防护措施之一 也是关键 燃烧室 涡轮 压气机 一 Introduction 热障涂层TBC ThermalBarrierCoating TBC的定义 170 或更高的温降热障涂层的主要保护功能 TC与BC的作用 涂层发展分为4个阶段 1 NiAl基铝化物涂层2改进型铝化物涂层3可以调整涂层的成分能在更高温度下起到高温抗氧化作用的等离子喷涂MCrAlY涂层4陶瓷热障涂层6 8 Y2O3部分稳定的ZrO2涂层 具有显著的隔热效果 一般来说 热障涂层包括四个层面 金属底层 金属粘结层 热氧化生成层和陶瓷面层 二 AnatomyofaTBC 1 粘结层 常用作粘结层的合金为MCrAlY M代表Fe Co Ni或二者的结合 CoCrAlY和FeCrAlY不宜做热障涂层的粘结底层由于NiCoCrAlY粘结层的抗氧化 抗热腐蚀综合性能较好 因此大多采用这种合金体系 元素Al Cr Y的作用和含量分别是 MCrAlY的成分对TGO的生长速度 成分 完整性以及与基体的结合力等因素有决定作用 2 热生长氧化物TGO TGO的生长 成分 厚度 生长速度 受到BC成分 结构 界面形貌的影响 Al2O3为TGO理想成分 其与BC及陶瓷涂层结合强度高 生长速度缓慢 组织致密实际BC YSZ界面TGO并不均匀 通常另有NiO Cr2O3 准稳Al2O3等多种氧化物TGO生长特性为控制TBC失效的关键因素 3 陶瓷层 陶瓷层的作用 早期使用的陶瓷隔热表层材料为Al2O3陶瓷 现在常用材料ZrO2陶瓷 ZrO2成为首选的原因 高熔点2680 它有三种晶型 ZrO2中需加入稳定剂 原因 早期用MgO和CaO作为稳定剂 研究结果表明 Y2O3的含量低于6 时 在Y2O3含量为6 8 时 陶瓷涂层抗热循环性能最好 寿命最长 可能适用于高温热障涂层的陶瓷材料 4 TBC结构设计 TBC主要有3种结构双层系统 TC与BC的主要成分和作用 TBC主要采用的结构形式 多层系统 是在双层结构的基础上多加了几层封阻层 缺点 梯度系统是在陶瓷层和基体金属之间采用成分 结构连续变化的一种系统 优点 5 TC层制备工艺 制备TC层的方法 什么是APS 特点 组织 结合强度 沉积率 制备成本 操作 等离子射流速度 对基体的热影响 涂层是多孔的 几乎使用所有的难容材料 但不适于喷涂结构复杂的工件 什么是EB PVD 特点 抗热疲劳的性能 涂层的成分控制较困难 基体零件需要加热 试样尺寸不能太大 表面光滑无需再加工 APS所制备的YSZ层横截面的显微组织 EB PVD热障涂层的断面组织 由许多薄片组成的呈波浪式堆叠在一起的层状组织 孔隙率较大 涂层与基体结合不牢固 冷却时易产生热应力和微裂纹 柱状晶结构 减少了与表面平行的横向晶界 具有更高的应变承受能力 涂层的抗氧化 抗热疲劳性能 抗腐蚀性能改善 有良好的耐磨性 三 DamageAccumulationandFailure TBCs失效方式是 涂层剥落 失效过程是微裂纹的产生 扩展 联接和大裂纹增殖 当大裂纹继续扩展联接后 将引起陶瓷涂层出现边缘剥离或鼓泡剥离最终导致涂层失效涂层剥落的主要原因 相变应力 温度梯度分布引起的热应力与热膨胀不匹配引起的热应力 热障涂层体系在其应用中必然存在的现象 TGO的热生长应力 主要原因 1 APSTBCs失效 APSTBCs在非平面应力作用下主要有四种失效机理 APS制备的TBCs失效机理示意图 机理1波峰 BC TGO界面处应力为T拉 波谷处该应力为T压 TGO厚 T拉 而导致在波峰位置沿BC TGO界面的开裂机理2 3BC TC界面的粗糙特征导致TGO TC界面上的非平面应力状态在不同位置不同 在波峰位置为T拉 在波谷位置为T压 T拉引起波峰位置沿TGO TC界面的开裂和靠近波峰脆性TC层中的开裂 APSTBCs在非平面应力作用下主要有四种失效机理 APS制备的TBCs失效机理示意图 机理4 TGO厚度 使BC层表面的粗化 结合改善 局部形成复合体 热应力受复合体和TC层控制 TGO厚度超过临界值 复合体的热膨胀系数小于TC层与BC层各自的膨胀系数 使得波谷位置的TC层中的应力由T压转变为T拉 这种应力状态的转变将导致波谷位置TC层中裂纹的产生 热循环后产生帽子状TGO 2 EB PVDTBCs失效 EB PVDTBCs系统中主要存在三种失效机理 EB PVD制备的TBCs失效机理示意图 机理1同APSTBCs系统中的机理1一样 为沿BC TGO界面的开裂机理2TGO TC界面的开裂和随着TGO的增厚TGO向BC层的渗入 TC层大面积的鼓泡剥离 机理3由于EB PVDTBCs系统的TC BC界面相对较平而且没有缺陷 在TGO中压应力的作用下将会产生TC层大面积的鼓泡剥离 B C为SEM所观测到的横截面显微组织 1 BC循环蠕变导致TGO粗化 2 局部TGO裂纹使氧化物加速增长 3 在BC层形成空泡 机理2中可能导致的其它机制 3 对失效采取措施 1 尽可能采用低热导率的材料制备TC层 以最大限度地降低BC层和高温合金基体的表面温度 一旦材料选定 可以通过制备过程中对涂层微观结构的调整来降低其沿垂直涂层表面方向的热导率 2 通过控制BC层成分和结构实现对TGO生长过程的调控 通过对TC层成分和结构的优化提高其缓释热应变的能力 3 在BC层的制备过程中 通过对其表面形貌的优化来降低因此产生的应力 4 开发新的TBCs材料及其制备工艺 四 FutureOutlook 梯度结构TBC 成分连续 孔隙连续 多层结