熱障涂層作為高性能航空發(fā)動機中前級渦輪葉片上必然使用的防護涂層,早已被各國航發(fā)部門列為航空發(fā)動機高溫熱防護的關鍵技術。在實際服役環(huán)境中,熱障涂層在陶瓷層與粘結層界面處形成的熱生長氧化物（Thermally grown oxidation,TGO）能夠進一步阻止內(nèi)部金屬的氧化,但也是陶瓷層產(chǎn)生界面裂紋并最終剝落失效的根本原因。應用先進的無損檢測技術對具有真實渦輪葉片形貌的熱障涂層TGO殘余應力及其分布情況進行檢測是判斷熱障涂層整體質(zhì)量與服役壽命的重要手段。本文中,使用電子束物理氣相沉積（EB-PVD）方法制備了具備不同柱狀晶傾斜度（與基底水平面的夾角為:0°,5°,10°）的平面熱障涂層,以及具有不同曲率基底(曲率為0 mm^-1,0.002 mm^-1,0.025 mm^-1,-0.03 mm^-1,0.2 mm^-1的鎳基合金基底)的曲面熱障涂層。光激發(fā)熒光壓電光譜（Photo-stimulated luminescence piezo-spectroscopy,PLPS）方法用于測量... 

【文章來源】：湘潭大學湖南省

【文章頁數(shù)】：61 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

熱障涂層結構示意圖[23]

第1章緒論3APS制備工藝制備的熱障涂層為層狀結構，涂層含氧量低且致密性良好。如圖1.2(a)所示為APS制備工藝原理圖：采用非轉移型等離子電弧為熱源，噴槍的噴嘴(帶正電的陽極)和電極(帶負電的陰極)之間可以產(chǎn)生強電弧，然后借助高頻火花引燃電弧，電弧將流動氣體電離成等離子弧，隨后將粉末顆粒原料送入等離子射流中，待送入的原料加熱到熔融狀態(tài)或者半熔融狀態(tài)時，使其以一定的速度噴射到經(jīng)過預處理的基體表面，在經(jīng)過快速冷卻后在基體表面形成致密的熱噴涂涂層。以APS制備工藝制備的熱障涂層如圖1.2(b)所示，涂層內(nèi)部具有較多孔洞與裂紋，且表面粗糙度較大。這種高孔隙率的致密層狀結構使得熱障涂層具備較低的熱傳導，因此該涂層廣泛應用在渦輪發(fā)動機靜止導向葉片，且我國的APS工藝發(fā)展也已經(jīng)相對成熟。圖1.2(a)APS噴涂工藝示意圖；(b)典型APS熱障涂層微觀結構相較于APS制備工藝而言，EB-PVD制備工藝更加復雜，且設備費用較為昂貴。如圖1.3(a)所示：在真空沉積室中，電子槍產(chǎn)生的電子束在經(jīng)過加速之后具有較高的動能，在經(jīng)過270°的翻轉之后射向YSZ靶材，具備高動能的電子束能夠充分地將靶材蒸發(fā)，最終使得靶材沉積到基體表面，形成致密的柱狀晶結構。在沉積之前，基體都會進行加熱，以此來提高涂層和基體的結合力[27]。EB-PVD制備的熱障涂層為柱狀晶結構，如圖1.3(b)所示。EB-PVD制備工藝是20世紀80年代開發(fā)，近年來發(fā)展不斷成熟，是把電子束和物理氣相沉積結合起來的涂層涂

層制備工藝[28]。EB-PVD制備的熱障涂層具有與APS工藝全然不同的微觀結構以及熱力學性能，其特有的柱狀晶結構使得涂層具備良好的應變?nèi)菹蓿蝗菀桩a(chǎn)生裂紋，這使得EB-PVD制備的涂層具有優(yōu)異的抗熱震性能[29]。因此，EB-PVD制備的熱障涂層廣泛應用于航空發(fā)動機的渦輪旋轉葉片。然而，事實上，EB-PVD制備熱障涂層的設備與工藝一直都屬于歐美國家的出口限制范疇，并且對于先進的EB-PVD設備與技術，歐美國家更是對我國絕對禁止。目前而言，我國對于EB-PVD制備技術仍然不能達到世界領先水平，還需要作進一步的研究與突破。圖1.3(a)EB-PVD原理示意圖；(b)EB-PVD熱障涂層微觀結構示意圖1.3熱障涂層失效機理和殘余應力檢測方法1.3.1熱障涂層主要失效類型隨著航天航空事業(yè)的飛速發(fā)展，熱障涂層的應用范圍也變得越來越廣泛，但是隨之而來的是更加惡劣的服役環(huán)境[30]。熱障涂層作為飛機渦輪葉片的防護涂層，在服役期間其內(nèi)部結構與材料特性在多種因素的影響下會發(fā)生一定的變化，導致涂層失效，從而喪失其防護作用，最終導致葉片直接暴露在高溫下，情況嚴重的話，甚至會直接影響到飛機的飛行安全。熱障涂層失效的形式主要表現(xiàn)在氧化層內(nèi)部產(chǎn)生平行于界面的裂紋，或者氧化層與上下兩層的界面處形成界面裂紋，導致陶瓷層開裂甚至剝落[31]。造成熱障涂層失效的因素來自各個方面，Levi等人[32]將熱障涂層主要失效形式進行了整理，并將其分成了外在環(huán)境影響因素和涂層材料與結構造成的內(nèi)在影響因素兩大方面。外在環(huán)境影響因素：飛機在飛行的過程中，熱障涂層需要承受極高的溫度，燃油未充分燃燒而產(chǎn)生的顆粒物，以及本身就存在于空氣中的硬質(zhì)顆粒，飛機飛行所需要的高溫燃氣使得這些顆粒物具有極高的速度，在飛行過程中，這些顆粒物會撞向涂層表面，而?

【參考文獻】：
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博士論文
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碩士論文
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本文編號：3449923