熱障涂層（thermal barrier coatings,TBCs）是一種噴涂在高溫作業(yè)的合金部件上的高性能隔熱涂層,它被廣泛應(yīng)用于燃氣輪機,尤其是航空發(fā)動機葉片的隔熱。傳統(tǒng)熱障涂層是由陶瓷頂層和合金粘結(jié)層組成的雙層涂層,陶瓷頂層使其具有良好的隔熱性能,粘結(jié)層則使涂層不會剝落,然而在長期高溫服役中,陶瓷層和粘結(jié)層熱膨脹系數(shù)（coefficient of thermal expansion,CTE）的不匹配會使傳統(tǒng)熱障涂層發(fā)生剝落等失效行為。為解決上述問題并獲得更好的機械性能,人們設(shè)計出了功能梯度熱障涂層（functionally graded thermal barrier coatings,FGTBCs）。另一方面,機械性能和傳熱機理是熱障涂層研究的核心,對于傳統(tǒng)熱障涂層的機械性能,傳統(tǒng)熱障涂層內(nèi)的傳熱機理、功能梯度熱障涂層的機械性能,眾多學(xué)者已做了深入透徹的研究,但功能梯度熱障涂層內(nèi)的傳熱機理卻沒有人研究過。為此本文通過大氣等離子噴涂（air plasma spraying,APS）制備了超過50件不同的傳統(tǒng)熱障涂層和YSZ/NiCoCrAlY功能梯度熱障涂層樣品并對樣品進行了微... 

【文章來源】：上海交通大學(xué)上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：97 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

–2傳統(tǒng)熱障涂層機械性能的研究現(xiàn)狀

第一章緒論上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文總的來說，對熱障涂層的機械性能的研究已經(jīng)非常成熟。熱障涂層的機械性能與其內(nèi)部復(fù)雜而多樣的微結(jié)構(gòu)、與服役溫度及涂層內(nèi)溫度的分布均有很大關(guān)聯(lián)。1.2.2傳統(tǒng)熱障涂層內(nèi)的傳熱熱障涂層的用途是高效隔熱，因而通過研究熱障涂層內(nèi)的傳熱機理從而預(yù)測、改善其隔熱性能很有意義。圖1–3[1]形象展示了傳統(tǒng)熱障涂層內(nèi)的傳熱過程:高溫燃氣通過熱輻射和熱對流將熱量傳遞給熱障涂層的陶瓷頂層（圖中PorousOxide）；其中，輻射熱流在陶瓷層內(nèi)經(jīng)孔隙散射部分穿入金屬粘結(jié)層（圖中BondCoat）并被吸收，對流換熱則經(jīng)熱傳導(dǎo)通過陶瓷層、粘結(jié)層及超合金葉片（圖中Superalloy），最終被葉片底部的孔冷氣流（圖中EngineCoolingAir）帶走。圖1–3傳統(tǒng)熱障涂層的結(jié)構(gòu)與隔熱原理[1]Figure1–3StructureofaconventionalTBCandtheprincipleofthermalinsulation縱觀熱量在傳統(tǒng)熱障涂層和渦輪葉片內(nèi)的傳遞過程，頂部多孔瓷頂層內(nèi)的傳熱最為復(fù)雜和關(guān)鍵。實際上，底部超合金葉片內(nèi)的傳熱是一側(cè)具有對流邊界條件一側(cè)具有導(dǎo)熱邊界條件的金屬導(dǎo)熱；粘結(jié)層內(nèi)的傳熱以導(dǎo)熱為主，伴隨少量的輻射吸收；多孔瓷頂層內(nèi)的傳熱則是復(fù)雜的。首先，由于YSZ等陶瓷材料在熱障涂層服役溫度下熱輻射所集中的波段（1μm～8μm）是半透明的，陶瓷層內(nèi)的傳熱是導(dǎo)熱-輻射相互耦合的。其次在制備過程中，陶瓷層內(nèi)會形成許多包括孔隙、裂紋在內(nèi)的微結(jié)構(gòu)，這些微結(jié)構(gòu)對光子和聲子（熱輻射和熱傳導(dǎo)的載流子）的散射造成了涂層內(nèi)載流子輸運的復(fù)雜性。同時，陶瓷的隔熱能力遠強于金屬，熱障涂層的隔熱能力也主要取決于陶瓷頂層的隔熱性能�！�4—

上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章樣品制備與微結(jié)構(gòu)分析表征圖2–3本文制備的傳統(tǒng)和功能梯度熱障涂層樣品Figure2–3ConventionalTBCandYSZ/NiCoCrAlYFGTBCsamplespreparedforthethesis層、傳統(tǒng)熱障涂層和功能梯度熱障涂層，其中部分關(guān)鍵樣品的信息如表2–3，其中（A）類樣品為無基底YSZ，其熱輻射特性與傳統(tǒng)熱障涂層基本等價，（B）類樣品為三層結(jié)構(gòu)的功能梯度熱障涂層，（C）類樣品為五層結(jié)構(gòu)的功能梯度熱障涂層，（D）類樣品為無基底功能梯度材料涂層，（E）類樣品為帶有不銹鋼基底的功能梯度材料涂層，它們被用于第四章中基于激光閃射分析的熱導(dǎo)率研究。本文實際上制備了更多的樣品，表2–3僅列出了在本文各數(shù)據(jù)圖圖例中出現(xiàn)的部分樣品。由于涂層厚度對載流子能否穿透該涂層有決定性影響，對于每一種功能梯度材料和每一種不同結(jié)構(gòu)，本文都分別設(shè)計了具有不同厚度的樣品和層級。如2.1節(jié)中論述，孔隙率與梯度熱障涂層傳熱特性有很大關(guān)聯(lián)，對于每一種功能梯度材料和每一種不同結(jié)構(gòu)，本文也都分別設(shè)計了具有不同孔隙率的樣品和層級。相比于陶瓷粉末，合金粉末在噴涂中更難形成孔隙，故表中為100%YSZ層設(shè)計孔隙率為10%～15%而100%NiCoCrAlY層的孔隙率只能設(shè)計為1%～5%。圖2–3通過照片展示了所制備的樣品及這些樣品的儲存，樣品被放置于一個密封性良好的亞克力盒中，盒子置于恒溫恒濕的微納尺度光學(xué)實驗室。圖中編號為0、10、13、25A、35A分別為上述（A）～（E）五類樣品的實例。嵌于黑色圓盤上的條狀樣品是通過線切割制備的涂層橫截面，這些橫截面樣品被用來進行SEM分析。圖2–3左下角第二張小圖中的紐扣電池狀樣品則是通過雕刻機切割而成，是用于激光閃射分析的樣品實例�！�17—

【參考文獻】：
期刊論文
[1]基于ABAQUS用戶子程序UMAT的TGO氧化過程數(shù)值模擬方法(英文)[J]. 丁軍,黃霞,李文中,王國超.  機床與液壓. 2013(24)
[2]激光感應(yīng)復(fù)合快速熔覆功能梯度YSZ/NiCrAlY涂層的研究(英文)[J]. 周圣豐,戴曉琴,熊征,張?zhí)煊?  中國激光. 2013(04)



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