粘结层材料对等离子喷涂-物理气相沉积热障涂层性能的影响研究

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1、工程硕士学位论文粘结层材料对等离子喷涂-物理气相沉积热障涂层性能的影响研究作者姓名刘飞学位类别材料工程校内导师曾德长教授校外导师刘敏教授所在学院材料科学与工程学院论文提交日期2018年4月28日InfluenceofBondCoatingMaterialsonPropertiesofThermalBarrierCoatingsPreparedbyPS-PVDAThsisSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate：LiuFeiSupervisor：Prof.ZengDechangProf.LiuMinSouthChinaUniversityofTechnol

2、ogyGuangzhou,China分类号：TG174学校代号：10561学号：201521016512华南理工大学硕士学位论文（粘结层材料对等离子喷涂-物理气相沉积热障涂层性能的影响研究）作者姓名：刘飞指导教师姓名、职称：曾德长教授，刘敏教授申请学位级别：工程硕士学科专业名称：材料工程（金属方向）研究方向：PS-PVD热障涂层制备与性能研究论文提交日期：2018年4月28日论文答辩日期：2018年6月4日学位授予单位：华南理工大学学位授予日期：年月日答辩委员会成员：主席：杜军委员：肖方明，韦春贝，曾美琴，刘敏摘要由金属粘结层（bondcoating）和陶瓷面层（topceramiccoa

3、ting）构成的经典双层结构热障涂层，在过去数十年间为提升航空发动机热端部件服役温度、推动航空发动机技术发展做出了重要贡献，是与高效气冷技术、高温结构材料并称的先进航空发动机及高压涡轮叶片制造三大关键技术。等离子喷涂-物理气相沉积（PS-PVD）技术以其兼具APS和EB-PVD技术特点的优势，被视为未来新型航空发动机热障涂层最具潜力的制备方法之一。目前，应用PS-PVD技术制备7YSZ热障涂层的研究已经取得一定成果，但性能依然存在一定的不足。为了进一步提升PS-PVD热障涂层性能，推动PS-PVD技术的应用与发展，对与7YSZ陶瓷层搭配的金属粘结层的材料及制备工艺进行优化，是一个可行的方法

4、。本文以MCrAlY体系合金及纳米团聚7YSZ为原料，采用PS-PVD技术在镍基高温合金基体上制备粘结层以及陶瓷层，主要进行了以下几个方面的研究：1）以CoCrAlSiY合金粉末为材料，K452G高温合金为基体，探究PS-PVD技术制备粘结层的结构与性能特点，以及合适的后续热处理工艺。结果表明PS-PVD粘结层表面较为粗糙，为典型的层片状结构，截面显微硬度为530.92HV0.1。真空热处理会使粘结层与基体之间的元素发生互扩散，使界面附近的元素和物相组成趋于一致，结合方式趋向于冶金结合；同时会析出脆性相，影响粘结层的抗氧化性能和机械性能。1030℃+4h真空热处理的效果较好。2）分别以Ni

5、CoCrAlTaY和NiCrAlY合金粉末为粘结层材料，7YSZ为陶瓷层材料，研究不同材料粘结层对PS-PVD热障涂层整体性能的影响。结果表明，NiCoCrAlTaY/7YSZ和NiCrAlY/7YSZ两种涂层的羽柱状陶瓷层的宏观形貌、孔隙率和显微硬度没有显著差异；结合强度差异较大，分别为21.89MPa、29.74MPa；高温氧化动力学拟合方程分别为h=1.14+0.305·t1/2和h=0.63+0.375∙t1/2；1100℃水淬热震试验分别在60次和70次循环后失效。说明粘结层材料对PS-PVD热障涂层整体性能存在较大影响，但对宏观结构影响不大。3）通过PS-PVD制备一定厚度的热

6、障涂层，研究粘结层及陶瓷层对气膜冷却孔的影响。结果表明，粘结层是气膜冷却孔堵塞的关键原因。当孔径为0.85mm时，气膜冷却孔的孔径收缩率随角度的增大减小，其中粘结层受角度影响较大，陶瓷层受角度影响I较小。当气膜冷却孔角度为30°时，孔径收缩率随孔径增大而减小，但孔径大小的变化对粘结层和陶瓷层在气膜冷却孔内的沉积状态没有影响，涂层厚度相似，只会影响孔径收缩率的数值计算结果。制备相同厚度的涂层，粘结层导致的孔径收缩是陶瓷层的三倍。关键词：热障涂层；粘结层材料；等离子喷涂-物理气相沉积；气膜冷却孔IIABSTRACTAclassictwo-layerthermalbarriercoatingco

7、nsistingofametalbondcoatandatopceramiccoatinghasbeenusedfordecadestoimprovetheservicetemperatureofaerospaceenginehotendcomponentsandpromotethedevelopmentofaero-enginetechnology.Ithasmadeimportantcontributionsandi