本文關(guān)鍵詞：燃?xì)廨啓C透平葉片熱障涂層的研究

  更多相關(guān)文章： 熱障涂層 工藝優(yōu)化 正交試驗 隔熱性能 抗熱震性能

【摘要】：隨著工業(yè)的發(fā)展,燃?xì)廨啓C的燃?xì)膺M口溫度和效率不斷提高,而現(xiàn)有的高溫合金和冷卻技術(shù)已經(jīng)無法滿足這種需求。熱障涂層(TBCs)是目前最先進的高溫防護涂層,具有良好的高溫性能,使高溫燃?xì)夂凸ぷ鹘饘俨考g產(chǎn)生很大的溫降,以延長熱機零件使用壽命、提高熱機熱效率。本課題在鎳基高溫合金上首先制備了雙層結(jié)構(gòu)的TBCs,其粘結(jié)層為Ni Co Cr Al Y,陶瓷面層為Zr O2-8w.%Y2O3。TBCs的組織、結(jié)構(gòu)和性能依賴于其制備方法。本課題采用超音速火焰噴涂(HVOF)直接制備粘結(jié)層,改善了粘結(jié)層的界面粗糙問題,使界面平整,增加了Al元素的擴散通道,有利于在粘結(jié)層表面形成一層Al2O3保護膜,防止了粘結(jié)層其它元素的進一步氧化。通過試驗分別研究了噴涂距離、氧-燃?xì)饬髁�、冷卻氣體(空氣)對粉末熔化情況和涂層的孔隙率的影響規(guī)律,對噴涂工藝參數(shù)進行了優(yōu)化。利用等離子噴涂工藝(APS)在表面制備了氧化鋯涂層;通過研究噴涂距離、送粉量、主氣流量和噴涂電流對涂層結(jié)合情況的影響,獲得了最優(yōu)等離子噴涂工藝參數(shù)。利用掃描電子顯微鏡(SEM)深入研究了雙層熱障涂層的微觀組織,并對涂層的孔隙率、結(jié)合強度、熱導(dǎo)率、隔熱性能以及抗熱震性能進行了測試。對于金屬基體上制備的雙層熱障涂層,其陶瓷層與金屬基體之間的熱膨脹系數(shù)不匹配。在工作過程中,溫度的劇烈變化會使涂層產(chǎn)生突變熱應(yīng)力,從而導(dǎo)致涂層剝落失效。為了減緩?fù)繉又械臒釕?yīng)力,功能梯度材料(FGM)的概念被引入到熱障涂層中來。按此概念設(shè)計的梯度熱障涂層,從基體到陶瓷表面,其成分和性能是連續(xù)變化的,從而大大降低了兩者因熱膨脹系數(shù)不匹配而生成的熱應(yīng)力,避免了涂層在熱震過程中發(fā)生剝落。本文采用四因素三水平正交試驗研究了噴涂距離、送粉量、主氣流量和噴涂電流對梯度熱障涂層中過渡層的孔隙率的影響規(guī)律,對工藝參數(shù)進行了優(yōu)化,最后對梯度熱障涂層的結(jié)合強度和抗熱震性能進行測試。試驗結(jié)果表明,與雙層熱障涂層相比,梯度熱障涂層的結(jié)合強度和抗熱震性能都提高了。過渡層的加入,消除了涂層中成分的突變,降低了涂層在熱震過程中的熱應(yīng)力集中,延緩了熱震裂紋的產(chǎn)生,使梯度熱障涂層的抗熱震性能更優(yōu)。
【關(guān)鍵詞】：熱障涂層 工藝優(yōu)化 正交試驗 隔熱性能 抗熱震性能
【學(xué)位授予單位】：機械科學(xué)研究總院
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TG174.4;TK476
【目錄】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-11
• 第一章 緒論11-33
• 1.1 課題背景11-12
• 1.2 燃?xì)廨啓C的工作原理及構(gòu)造材料12-15
• 1.2.1 燃?xì)廨啓C的工作原理12-14
• 1.2.2 燃?xì)廨啓C的部件與工作環(huán)境14-15
• 1.2.3 本課題研究的燃?xì)廨啓C概況15
• 1.3 熱障涂層研究進展綜述15-30
• 1.3.1 熱障涂層的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢15-17
• 1.3.2 熱障涂層結(jié)構(gòu)17-20
• 1.3.3 陶瓷層的材料選擇20-22
• 1.3.4 粘結(jié)層的材料選擇22-24
• 1.3.5 熱障涂層制備技術(shù)24-28
• 1.3.5.1 大氣等離子噴涂（APS）24-25
• 1.3.5.2 電子束物理氣相沉積（EB-PVD）25-27
• 1.3.5.3 超音速火焰噴涂法（HVOF）27-28
• 1.3.6 金屬/陶瓷梯度熱障涂層28
• 1.3.7 熱障涂層在高溫下的失效28-30
• 1.3.7.1 熱障涂層失效的應(yīng)力來源29-30
• 1.3.7.2 熱障涂層的失效形式30
• 1.3.7.3 熱障涂層的失效機制30
• 1.4 本課題研究內(nèi)容及意義30-33
• 第二章 實驗材料、實驗設(shè)備及實驗方法33-43
• 2.1 實驗材料33-36
• 2.1.1 基體材料33-34
• 2.1.2 噴涂材料34-36
• 2.2 噴涂設(shè)備介紹36
• 2.2.1 超音速火焰噴涂設(shè)備36
• 2.2.2 等離子噴涂設(shè)備36
• 2.3 熱障涂層的制備36-37
• 2.3.1 雙層熱障涂層的制備36
• 2.3.2 梯度熱障涂層的制備36-37
• 2.4 涂層金相及微觀組織分析方法37-38
• 2.4.1 金相試樣制備37
• 2.4.2 微觀組織形貌分析37-38
• 2.4.3 涂層的孔隙率分析38
• 2.5 涂層的性能測試方法38-43
• 2.5.1 涂層結(jié)合強度測試38-39
• 2.5.2 涂層導(dǎo)熱系數(shù)測試39-40
• 2.5.3 涂層隔熱性能測試40-42
• 2.5.4 涂層抗熱震性能測試42-43
• 第三章 雙層熱障涂層制備工藝與組織結(jié)構(gòu)43-66
• 3.1 粘結(jié)層的工藝優(yōu)化與組織結(jié)構(gòu)43-54
• 3.1.1 粘結(jié)層的工藝優(yōu)化43-54
• 3.1.1.1 不同噴涂距離對粉末熔化的影響43-46
• 3.1.1.2 氧-燃?xì)饬髁繉Ψ勰┤刍挠绊?/span>46-53
• 3.1.1.3 冷卻氣體（空氣）對粉末熔化的影響53
• 3.1.1.4 HVOF最佳工藝參數(shù)53-54
• 3.1.2 粘結(jié)層優(yōu)化后的組織結(jié)構(gòu)54
• 3.2 陶瓷層的工藝優(yōu)化與組織結(jié)構(gòu)54-63
• 3.2.1 陶瓷層的工藝優(yōu)化54-63
• 3.2.1.1 噴涂距離對涂層組織的影響55-57
• 3.2.1.2 送粉量對涂層組織的影響57-60
• 3.2.1.3 主氣流量對涂層組織的影響60
• 3.2.1.4 噴涂功率對涂層組織的影響60-62
• 3.2.1.5 最佳噴涂參數(shù)62-63
• 3.2.2 陶瓷層優(yōu)化后的組織結(jié)構(gòu)63
• 3.3 熱障涂層的組織結(jié)構(gòu)分析63-64
• 3.4 本章小結(jié)64-66
• 第四章 雙層熱障涂層的性能測試與評價66-100
• 4.1 雙層熱障涂層結(jié)合強度分析66-68
• 4.1.1 涂層結(jié)合強度研究內(nèi)容66-67
• 4.1.2 噴涂參數(shù)對涂層結(jié)合強度的影響67-68
• 4.2 熱障涂層導(dǎo)熱系數(shù)測試68-76
• 4.2.1 熱障涂層的比熱容與密度68-71
• 4.2.2 熱障涂層的熱擴散系數(shù)與熱導(dǎo)率71-73
• 4.2.3 熱障涂層熱導(dǎo)率的影響因素73-76
• 4.2.3.1 涂層材料對熱障涂層熱導(dǎo)率的影響73-75
• 4.2.3.2 制備方法對熱障涂層熱導(dǎo)率的影響75-76
• 4.2.3.3 成分變化對熱障涂層熱導(dǎo)率的影響76
• 4.3 熱障涂層隔熱性能76-91
• 4.3.1 熱障涂層體系傳熱過程分析76-81
• 4.3.1.1 對流換熱77-78
• 4.3.1.2 熱傳導(dǎo)78-79
• 4.3.1.3 熱輻射79-80
• 4.3.1.4 界面熱阻80-81
• 4.3.2 傳熱過程的影響因素分析81-83
• 4.3.2.1 對流換熱的影響因素81-82
• 4.3.2.2 熱傳導(dǎo)的影響因素82
• 4.3.2.3 輻射換熱的影響因素82
• 4.3.2.4 界面熱阻的影響因素82-83
• 4.3.3 熱障涂層隔熱效果理論83-89
• 4.3.3.1 理論計算公式83-85
• 4.3.3.2 吸熱過程85-86
• 4.3.3.3 散熱過程86-87
• 4.3.3.4 熱平衡狀態(tài)下的隔熱效果計算87-89
• 4.3.4 隔熱溫差法實測結(jié)果分析89-91
• 4.4 熱障涂層抗熱震性能91-98
• 4.4.1 熱震試驗前后涂層的表面宏觀形貌91-93
• 4.4.2 熱障涂層抗熱震性能原理分析93-95
• 4.4.2.1 熱障涂層熱震后失效類型93
• 4.4.2.2 熱障涂層熱震失效過程93-94
• 4.4.2.3 熱障涂層熱震失效原因94-95
• 4.4.3 熱障涂層殘余應(yīng)力分析95-98
• 4.4.3.1 熱障涂層殘余應(yīng)力表達(dá)式95-96
• 4.4.3.2 熱障涂層殘余應(yīng)力計算96-97
• 4.4.3.3 殘余應(yīng)力的影響因素97-98
• 4.5 本章小結(jié)98-100
• 第五章 梯度熱障涂層100-127
• 5.1 梯度熱障涂層的設(shè)計100-101
• 5.2 梯度熱障涂層的工藝優(yōu)化101-116
• 5.2.1 正交試驗設(shè)計101-103
• 5.2.2 正交試驗結(jié)果與分析討論103-107
• 5.2.3 工藝參數(shù)對涂層孔隙率的影響107-112
• 5.2.3.1 噴涂距離對涂層孔隙率的影響108-109
• 5.2.3.2 送粉量對涂層孔隙率的影響109
• 5.2.3.3 主氣（N2）流量對涂層孔隙率的影響109-111
• 5.2.3.4 噴涂電流對涂層孔隙率的影響111-112
• 5.2.4 最佳噴涂參數(shù)112
• 5.2.5 優(yōu)化后的梯度熱障涂層的組織結(jié)構(gòu)分析112-116
• 5.3 梯度熱障涂層結(jié)合強度116-118
• 5.4 梯度熱障涂層的抗熱震性能118-125
• 5.4.1 試驗結(jié)果與分析118-122
• 5.4.2 熱震特性分析122-123
• 5.4.2.1 梯度熱障涂層熱震特性分析122-123
• 5.4.2.2 陶瓷層熱震特性分析123
• 5.4.2.3 過渡層熱震特性分析123
• 5.4.3 熱震裂紋的形成和擴展123-125
• 5.5 本章小結(jié)125-127
• 第六章 結(jié)論127-129
• 參考文獻(xiàn)129-140
• 致謝140-141
• 在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文和參加科研情況141

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 張磊;張社會;王偉;馮洲鵬;;功能金屬/陶瓷梯度熱障涂層的材料體系及制備方法[J];熱加工工藝;2010年16期

，

本文編號：729834