熱障涂層體系金屬粘接層界面失效及改性機理研究
【學(xué)位單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TG174.4;TK406
【部分圖文】：
采用ＡＰＳ法制備得到的熱障涂層具有良好的隔熱效果，熱導(dǎo)率通常為０．８￣１．２??Ｗ／（ｍ．Ｋ）。該工藝制備得到涂層的沉積速率快、材料利用率高而得到最廣泛的市??場運用（如圖１．３（３）所示）［１１＿１５；１８］。??ＥＢ－ＰＶＤ是自２０世紀(jì)７０年代發(fā)展起來的利用高速、高能量密度電子束轟擊??加熱靶材使得其表面蒸發(fā)于基體表面沉積形成涂層的過程。ＥＢ－ＰＶＤ法制備的熱??障涂層具有獨特彼此分離的柱狀晶結(jié)構(gòu)，柱狀晶垂直于基體表面，使得其具有較??高的橫向應(yīng)變?nèi)菹蓿ㄈ鐖D１．３（ｂ）所示）。相比于ＡＰＳ制備的陶瓷層，ＥＢ－ＰＶＤ制備??得到的柱狀晶結(jié)構(gòu)陶瓷層在循環(huán)氧化過程中具有更加優(yōu)異的抗剝落能力，同時陶??瓷層與金屬粘接層界面能大量發(fā)生冶金結(jié)合提髙界面的結(jié)合強度。但是ＥＢ－ＰＶＤ??制備陶瓷層熱導(dǎo)率通常為１．５？１．９?Ｗ／（ｍ．Ｋ），同時由于ＥＢ－ＰＶＤ具有隔熱性能差、??沉積效率低、設(shè)備昂貴且復(fù)雜。由于上述原因?qū)е铝送繉拥纳a(chǎn)成本高，而大大??限制了其的廣泛使用（見表１．２）。??Ｍｅｌｔｅｄ?Ｓｔａｔｅ??圖１．２?ＡＰＳ法制備ＴＢＣｓ沉積過程??Ｆｉｇ．?１．２?Ｔｈｅ?ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ?ｏｆ?ＴＢＣｓ?ｐｒｅｐａｒｅｄ?ｂｙ?ＡＰＳ??４??
（ａ）?（ｂ）??圖１．３不同制備方法下熱障涂層的組織結(jié)構(gòu)［１２］【呷（ａ）?ＡＰＳ；?（ｂ）ＥＢ－ＰＶＤ??Ｆｉｇ．?１．３?Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｏｆ?ＴＢＣｓ?ｐｒｅｐａｒｅｄ?ｂｙ?（ａ）?ＡＰＳ；?（ｂ）?ＥＢ－ＰＶＤ??表１．２?ＡＰＳ與ＥＢ－ＰＶＤ兩種熱障涂層工藝對比【１２］［１３】??Ｔａｂｌｅ?１．２?Ｔｈｅ?ｃｏｍｐａｒａｔｉｏｎ?ｏｆ?ＴＢＣｓ?ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ?ｂｅｔｗｅｅｎ?ＡＰＳ?ａｎｄ?ＥＢ－ＰＶＤ??工藝?ＡＰＳ?ＥＢ－ＰＶＤ??沉積材料?金屬、合金及陶瓷?多種材料??基體預(yù)熱?一?７００￣１１００°Ｃ??工藝氣氛?大氣狀態(tài)?真空度＜１０－２￣１０＂＾３??表面光潔度?低?高??界面結(jié)合方??機械結(jié)合為主，伴隨冶金結(jié)合?冶金結(jié)合為主??式??顯微結(jié)構(gòu)?等軸晶?柱狀晶??致密度?低，伴隨大量空隙、裂紋?中等??橫向應(yīng)變?nèi)??低?高??限??熱導(dǎo)率??０．８?￣?１．２?１．５?￣?１．９??Ｗ／（ｍ．Ｋ）??沉積效率?高?低??設(shè)備投資?設(shè)備投資低，相對簡單?設(shè)備投資巨大，設(shè)備復(fù)雜??在考慮涂層的使用環(huán)境、基體合金成分、涂層成分和生產(chǎn)工藝的因素外，金??屬抗氧化涂層體系需要考慮如下的因素來滿足實際工況的需要［１６］：??（１）良好的涂層界面間結(jié)合力，以及合適的熱膨脹系數(shù)匹配。選用的制備工??藝、涂層材料和基體表面處理方式可以有效提高涂層的結(jié)合力，同時合適的熱膨??脹系數(shù)匹配可以避免涂層在冷熱交替作用下由于較大的界面熱應(yīng)力導(dǎo)致涂層的??開裂。??５??
Ｆｉｇ．?１．４?Ｃｕｒｖｅ?ｏｆ?ｃｏａｔｉｎｇ?ｃｒａｃｋｉｎｇ?ｓｔｒａｉｎ?ｗｉｔｈ?ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ??一般來說如果涂層發(fā)生塑性到脆性的轉(zhuǎn)變，即使非常小的應(yīng)變也足以導(dǎo)致其??發(fā)生開裂，并且易于發(fā)生貫穿。圖１．４為涂層開裂應(yīng)變隨溫度變化的曲線，由圖??可知１＞ＤＢＴＴ時候呈現(xiàn)塑性模式，具有相當(dāng)好的韌性而不易于發(fā)生破裂。該模??式下涂層對基體的力學(xué)性能影響不大，但是對疲勞性能影響顯著并使得其明顯降??低。因此，為避免涂層高溫服役開裂，應(yīng)該將涂層的韌脆性轉(zhuǎn)變溫度盡可能降低。??４????ｃｍｍ?／ＳｒｉＬ??３－?Ｊ?ｙ－—（１８Ｃｆ－９Ａｌ）?（２３Ｃｒ－ｉ２ＡＩ）??？?／?／??ｍ?？?７?／?ｙ?（２０Ｃｒ－９－１１ＡＩ）?／?／?／??＾?／?／?Ｘ??ｍ?．?＾＾７?ｙ?／?Ｘ?ＣｏＣｒＡｌＹ??１?（２７Ｃｒ－１２ＡＩ）??〇?？?ｉ?＇?ｊ??１?ｉ?＊?ｔ??，?ｒ?＇?￣??０?２００?４００?６００?８００?１０００?伽??瞻Ｃ??（ａ）??４????３?？?ＮｉＡｌ??、〇?ｗ（ＡＩ）＊?３２％＾＿?Ｗ（ＡＩ）＊３６％??Ｉ；：?—ｎ??：：：：：：——：：■：：：：■：■＂：：
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