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《文獻(xiàn)綜述-董自超.doc》由會(huì)員上傳分享,免費(fèi)在線(xiàn)閱讀,更多相關(guān)內(nèi)容在教育資源-天天文庫(kù)。
1、1.前言苛刻高溫環(huán)境下服役的工程合金材料,不僅要有足夠的高溫強(qiáng)度,還要具有良好的抗高溫氧化性能,單靠合金本身很難同時(shí)滿(mǎn)足這兩個(gè)要求,多數(shù)情況下需要高溫防護(hù)涂層,以合金本身滿(mǎn)足力學(xué)性能要求,以表面涂層提高其抗高溫氧化能力[3-3]。在過(guò)去的幾十年時(shí)間中,主要通過(guò)發(fā)展燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)零部件用材料和制備技術(shù)來(lái)提高燃?xì)鉁囟龋?0~70年代研制出的一系列高溫合金體系,工作溫度也已從760℃提高到1050℃[9-1~4]。圖1顯示了發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度的提高伴隨著材料研究的發(fā)展過(guò)程。從鍛造合金發(fā)展到常規(guī)鑄造合金,再?gòu)亩ㄏ蚰毯辖鸢l(fā)展到單晶材料,材
2、料使用溫度提高近300℃,已經(jīng)接近金屬使用極限溫度[3-2]?!?】據(jù)當(dāng)今主要的燃?xì)鉁u輪機(jī)生產(chǎn)廠(chǎng)商提供的數(shù)據(jù)顯示:普通用途的燃?xì)鉁u輪機(jī)葉片的使用溫度范圍在960~1100℃;軍用飛機(jī)中的燃?xì)廨啓C(jī)燃?xì)鉁囟雀哌_(dá)1600℃;商用飛機(jī)的燃?xì)廨啓C(jī)燃?xì)鉁囟纫哺哌_(dá)1500℃。然而用于生產(chǎn)渦輪葉片的鎳基超強(qiáng)耐熱合金的最高工作溫度只有1100℃。隨著燃?xì)廨啓C(jī)向高進(jìn)氣溫度方向的發(fā)展,傳統(tǒng)的鎳基和鈷基超耐熱合金、定向結(jié)晶合金甚至單晶合金已不能完全滿(mǎn)足燃?xì)廨啓C(jī)高溫部件的要求,使用空氣冷卻系統(tǒng)和冷卻信道的改進(jìn)也只能獲得有限的冷卻效果使用空氣冷卻系統(tǒng)
3、和冷卻通道的改進(jìn)也只能獲得有限的冷卻效果[2-3,4]。相對(duì)于開(kāi)發(fā)新型高溫耐熱合金材料基體來(lái)講,致力于燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片的保護(hù)其成本要低得多[7-1]。通過(guò)在高溫部件上制備一層300~500μm熱障涂層可起到隔熱作用來(lái)提高燃?xì)馐褂脺囟?降低金屬基體工作溫度,顯著提高燃?xì)廨啓C(jī)效率、減少燃油消耗(近20%[9-12])、延長(zhǎng)使用壽命等效果,因此得到了廣泛的應(yīng)用[2-5][7-2,3]。然而熱障涂層的應(yīng)用也有缺點(diǎn):轉(zhuǎn)子葉片載荷的增加從而影響盤(pán)的壽命,葉型氣動(dòng)力損失,加工成本提高。在實(shí)際應(yīng)用中,熱障涂層的效益視具體的應(yīng)用而異。不過(guò)這
4、些效益在很大程度上會(huì)與應(yīng)用帶來(lái)的缺點(diǎn)相抵消,一般來(lái)說(shuō),總效益是有利的[13]。文獻(xiàn)表明,目前先進(jìn)陶瓷熱障涂層能在工作環(huán)境下降低零件溫度170℃左右[5-1~3]。2.熱障涂層概況熱障涂層(Thermalbarriercoatings,簡(jiǎn)稱(chēng)TBCs)一般是指由0.25~0.35mm厚頂部陶瓷層(CeramicTopCoating)和0.1~0.15mm厚的底部的金屬粘結(jié)層(BondCoating)組成的涂層系統(tǒng)[2、3、6]。通常沉積在金屬或者合金基體表面,具有的良好隔熱效果,主要用來(lái)降低基體的工作溫度,免受高溫氧化、腐蝕以
5、及磨損[2-5]。根據(jù)涂層結(jié)構(gòu)及厚度的不同,有熱障涂層比無(wú)熱障涂層的基體表面的溫度可降低100-300℃【1】。因此具有隔熱與抗氧化作用,且有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、耐熱能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)?!?4】由于粘結(jié)層長(zhǎng)期高溫使用的氧化,在粘結(jié)層(BC)和陶瓷層(TC)之間將生成一層氧化物,即熱生長(zhǎng)氧化物(ThermallyGrownOxide,簡(jiǎn)稱(chēng)TGO)[2],厚度為1~10μm,而涂層的破壞通常發(fā)生在結(jié)合層和熱氧化層之間,因?yàn)門(mén)GO是TBCs系統(tǒng)中的最薄弱環(huán)節(jié),是裂紋擴(kuò)展的通道[14]。TBCS主要包括雙層、多層和梯度系統(tǒng)三種結(jié)構(gòu)形式。其中多層和
6、梯度涂層的制備較為復(fù)雜和困難且重復(fù)性差受到限制,而雙層系統(tǒng)制備工藝簡(jiǎn)單、隔熱能力強(qiáng),是目前實(shí)際應(yīng)用最多的形式,也是本文將討論的涂層結(jié)構(gòu)類(lèi)型。【2+4】典型的熱障涂層系統(tǒng)所包含的四部分如圖2所示。[1][4]2.1陶瓷頂層(CeramicTopCoating):熱障涂層的基本設(shè)計(jì)思想就是利用陶瓷的高耐熱性、抗腐蝕性和低導(dǎo)熱性,實(shí)現(xiàn)對(duì)基體合金材料的保護(hù)。因此,對(duì)適用于作為熱障涂層的材料提出了以下一些要求[3-7]:1)高熔點(diǎn)(>2000K);2)低密度;3)較高的熱反射率;4)良好的抗熱沖擊性能;5)較低的蒸氣壓;6)較高的抗
7、高溫氧化及抗高溫腐蝕的能力7)較低的熱導(dǎo)率(<2.5W*m-1*K-1);8)較高的熱膨脹系數(shù)與基體材料相匹配(熱膨脹系數(shù)>10×10-6K-1)碩1。9)抗燒結(jié)碩1陶瓷材料具有離子鍵或共價(jià)鍵結(jié)構(gòu),鍵能高,因此熔點(diǎn)高、硬度高、化學(xué)性能穩(wěn)定,是熱障涂層的理想材料。但韌性、抗疲勞性和抗熱震性較差,對(duì)應(yīng)力集中和裂紋敏感。目前使用的熱障涂層陶瓷材料多為金屬氧化物,這是因?yàn)榻饘傺趸锾沾傻膶?dǎo)熱以聲子傳導(dǎo)和光子傳導(dǎo)機(jī)理為主,熱導(dǎo)率較低且其涂層在富氧環(huán)境中具有良好的高溫穩(wěn)定性[5-7]。常用氧化物陶瓷的導(dǎo)熱順序?yàn)閇5-8]:BeO>Mg
8、O>Al2O3>CaO>ZrO2常用熱障涂層陶瓷材料有Al2O3、ZrO2、SiO2等,主要性能如表1所示[5-6,810]下圖是一些常用陶瓷材料的熱導(dǎo)率和熱膨脹系數(shù)比較圖[1-8]。[1-8]研究表明[5-1,2,4,9~12,14],ZrO2是目前國(guó)內(nèi)外研究最多、應(yīng)用廣泛、綜合性能最好的熱障涂層材料