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RESEARCH ARTICLE
聚碳硅烷基复合涂层PCS裂解行为及其抗激光烧蚀性能
蔡佳
1,2
赵芳霞
1,*
范栋
1,2
黄利平
2
[ ... ]
张振忠
1
作者单位
摘要
1
1.南京工业大学 材料科学与工程学院, 南京 211816
2
2.中国科学院 上海硅酸盐研究所, 上海 200050
针对高性能激光防护涂层的开发问题, 根据聚碳硅烷(PCS)裂解时会消耗大量激光能量, 并产生高温陶瓷保护相的特点, 本研究创新性地提出在传统氧化钇稳定氧化锆(YSZ)隔热涂层表面再复合PCS烧蚀型涂层的防护思路, 采用料浆法结合大气等离子喷涂技术(APS)在Ni基合金表面分别制备了NiCrAlY/YSZ/PCS-TiO
2
(YPT)和NiCrAlY/YSZ/PCS-Y
2
O
3
(YPY)涂层。在研究TiO
2
和Y
2
O
3
添加相对PCS裂解行为影响的基础上, 系统研究了YPT和YPY复合涂层对10.6 μm CO
2
激光器的抗激光烧蚀性能, 并与单层YSZ涂层进行比较。结果表明, YPY和YPT复合涂层比传统YSZ涂层的激光防护效果更好, 这是因为在激光烧蚀初期, 涂层表面的PCS裂解会消耗激光能量, 且烧蚀后残余的Y
2
SiO
5
、SiC和SiO
2
相会沉积在YSZ涂层上, 形成致密的保护层, 继续对YSZ涂层进行激光防护。YPY比YPT涂层激光防护性能更好, 这是因为Y
2
O
3
具有高热导率和低热膨胀系数, YPY涂层产生的温度梯度更小, 从而缓解热应力, 且Y
2
O
3
参与PCS的裂解生成了Y
2
SiO
5
相, 比TiO
2
更能抑制PCS裂解引起的体积膨胀。此外YPY涂层中心烧蚀温度更高, 生成PCS裂解产物SiC和SiO
2
相的速度更快, 能及时保护下方涂层, 表现出更好的抗激光烧蚀性能。该研究有望为新型抗激光复合涂层的设计提供研究思路。
聚碳硅烷
添加相
复合涂层
裂解
抗激光烧蚀性能
polycarbosilane
addition
composite coating
pyrolysis
laser ablation resistance
PDF全文
Full Text
无机材料学报
2023, 38(11): 1271
RESEARCH ARTICLE
TiAl合金表面TiAlCrY/YSZ涂层高温长时间服役性能
潘洋洋
1,2
梁波
1,*
洪督
2
祁志祥
3
[ ... ]
郑学斌
2
作者单位
摘要
1
1.燕山大学 材料科学与工程学院, 亚稳材料国家重点实验室, 秦皇岛 066004
2
2.中国科学院 上海硅酸盐研究所, 特种无机涂层实验室, 上海 200050
3
3.南京理工大学 材料评价与设计教育部工程研究中心, 先进金属与金属间化合物材料技术工信部重点实验室, 南京 210094
TiAl合金具有低密度、高比强度的优异性能, 是一种潜在的航空发动机用结构材料。TiAl合金的服役温度范围为700~900 ℃, 在其表面制备高温热防护涂层可以进一步提高服役温度。本研究采用等离子喷涂技术在TiAl合金表面制备了新型TiAlCrY/YSZ涂层, 并与传统的NiCrAlY/YSZ热障涂层进行高温长时间服役性能对比研究。结果发现, TiAlCrY/YSZ涂层在1100 ℃空气环境中服役300 h保持完好, 表现出良好的高温性能, 而NiCrAlY/YSZ涂层在1100 ℃的服役寿命不足100 h。显微分析结果表明, TiAlCrY黏结层表面会形成一层连续且致密的TGO, 其主要成分为Al
2
O
3
, 与YSZ涂层的界面兼容性良好。并且TGO在1100 ℃空气环境中服役300 h后, 厚度仍<8 μm。以上研究表明, 与传统NiCrAlY/YSZ热障涂层相比, TiAlCrY/YSZ更适合作为TiAl合金表面的高温热防护涂层。
TiAl合金
TiAlCrY/YSZ涂层
等离子喷涂
高温长时间服役性能
TiAl alloy
TiAlCrY/YSZ coating
plasma spray
high temperature long-term service performance
PDF全文
Full Text
无机材料学报
2023, 38(1): 105
RESEARCH ARTICLE
富铝CMAS对稀土硅酸盐环境障涂层的腐蚀行为与机制研究
范栋
1,2
钟鑫
1,*
王亚文
1
张振忠
2,*
[ ... ]
郑学斌
1
作者单位
摘要
1
1.中国科学院 上海硅酸盐研究所, 上海 200050
2
2.南京工业大学 材料科学与工程学院, 南京 211816
3
3.中国航空制造技术研究院, 北京 100024
稀土硅酸盐环境障涂层(EBCs)有望应用于新一代高推重比航空发动机热端部件, 但是服役条件下的熔盐腐蚀成为限制其应用的瓶颈。CMAS组分和稀土硅酸盐的晶体结构等因素对其腐蚀行为产生显著影响。本工作以不同晶型的稀土硅酸盐涂层材料为研究对象, 采用大气等离子喷涂技术制备X1-Gd
2
SiO
5
、X2-RE
2
SiO
5
(RE=Y, Er)涂层, 并研究其在富Al
2
O
3
的CMAS熔盐环境(1400 ℃)的腐蚀行为与机制。结果表明, X2-RE
2
SiO
5
(RE=Y, Er)涂层耐蚀性能优于X1-Gd
2
SiO
5
涂层, 这与涂层材料的物相组成和晶体结构的稳定性等因素有关。经CMAS腐蚀25 h后, X1-Gd
2
SiO
5
涂层表面仅生成磷灰石相; X2-RE
2
SiO
5
涂层不仅生成磷灰石相, 涂层中的RE
2
O
3
还与CMAS中的Al
2
O
3
反应生成石榴石相。生成石榴石相可提高涂层表面CMAS中CaO、SiO
2
的相对含量, 促进磷灰石致密层的生成, 从而改善其耐蚀性能。
环境障涂层
稀土硅酸盐
CMAS腐蚀
腐蚀机理
environmental barrier coating
rare-earth silicate
CMAS corrosion
corrosion mechanism
PDF全文
Full Text
无机材料学报
2022, 38(5): 544
硅酸镱环境障涂层抗熔盐腐蚀行为与机制研究
刘平平
*
钟鑫
张乐
李红
[ ... ]
郑学斌
作者单位
摘要
稀土硅酸盐环境障涂层(EBC)是应用于新一代高推重比航空发动机热端部件的重要材料, 但其在高温熔盐环境的腐蚀行为与机制尚不明晰。本工作采用真空等离子喷涂技术(VPS)制备了Yb
2
SiO
5
/Yb
2
Si
2
O
7
/Si环境障涂层, 并研究了该涂层体系在900 ℃、Na
2
SO
4
+25% NaCl(质量分数)熔盐环境中的腐蚀行为与机制。研究发现, 所制备的Yb
2
SiO
5
/Yb
2
Si
2
O
7
/Si涂层体系结构致密, 各层之间结合良好; 涂层体系腐蚀240 h, 熔盐组分渗透Yb
2
SiO
5
涂层, 在Yb
2
Si
2
O
7
中间层发生富集。涂层中Yb
2
SiO
5
相具有良好的稳定性, Yb
2
O
3
第二相与熔盐发生反应, 且随腐蚀时间延长, Yb
2
O
3
含量减少。中间层Yb
2
Si
2
O
7
相与熔盐反应生成磷灰石相NaYb
9
Si
6
O
26
和钠硅酸盐, 并产生Cl
2
和SO
2
等挥发性物质, 从而影响服役寿命。硅黏结层中未发现熔盐渗透现象, 保持完整。该涂层体系具有良好的抗熔盐腐蚀性能。
环境障涂层
硅酸镱
Na2SO4+25% NaCl熔盐
腐蚀机制
environmental barrier coating
ytterbium silicate
Na2SO4+25% NaCl molten salt
corrosion mechanism
PDF全文
Full Text
无机材料学报
2022, 37(12): 1267
RESEARCH ARTICLE
等离子喷涂TiC-Graphite复合涂层摩擦磨损性能
洪督
1,2
牛亚然
1
李红
2
钟鑫
1
郑学斌
1,*
作者单位
摘要
1
1.中国科学院 上海硅酸盐研究所, 上海 200050
2
2.上海大学 材料科学与工程学院, 上海 200072
等离子喷涂TiC涂层具有良好的综合性能, 在极端环境能起到较好的耐磨保护作用, 而石墨是一种优异的自润滑材料。通过喷雾干燥与真空烧结技术制备不同石墨添加量(1.25%、2.5%、5%和10%, 质量分数)的TiC-Graphite球形粉体, 并采用大气等离子喷涂技术制备TiC-Graphite复合涂层。对涂层的相组成、显微结构和力学性能进行了表征, 并对涂层的摩擦磨损性能进行了比较研究。结果发现, TiC-Graphite涂层主要由TiC和石墨相组成。随石墨添加量增大, TiC-Graphite涂层截面微裂纹增多, 表面粗糙度增大, 硬度下降。石墨对TiC涂层在高载荷的磨损性能影响更显著。在50 N高载荷条件, 随石墨添加量增大, TiC-Graphite涂层磨损率降低后急剧增大, 而摩擦系数持续减小。当石墨添加量为2.5%时, 涂层获得最低的磨损率为0.67×10
-5
mm
3
/(N·m), 同时具有较低的摩擦系数(0.35), 与不添加石墨的TiC涂层相比, 分别降低了72.4%和27.8%。
TiC-Graphite复合涂层
磨损性能
大气等离子喷涂
显微结构
力学性能
TiC-Graphite composite coatings
tribological property
atmospheric plasma spray
microstructure
mechanical property
PDF全文
Full Text
无机材料学报
2022, 37(6): 643
RESEARCH PAPER
等离子喷涂ZrC基涂层逐道逐层沉积残余应力模拟与实验验证
谢玲玲
1,2,3
牛亚然
2,*
王亮
2
陈文亮
1
[ ... ]
黄贞益
3
作者单位
摘要
1
南京航空航天大学 机电学院, 南京 210016
2
中国科学院 上海硅酸盐研究所 特种无机涂层重点实验室, 上海 200050
3
安徽工业大学 冶金工程学院, 马鞍山 243002
采用商用ANSYS14.5软件, 依据复合梁增层力学模型, 采用逐道逐层累积模型模拟了C/C复合材料表面等离子喷涂ZrC基涂层沉积残余应力的特征, 分析了SiC过渡层、第二相(SiC, MoSi
2
)和涂层厚度对ZrC基涂层残余应力的影响, 并进行了实验验证。结果表明, SiC过渡层有效缓解了涂层与基体的热失配应力。涂层体系的应力随着涂层厚度的增加逐渐减小, 符合应力松弛和叠加规律。在涂层内部的径向应力以拉应力为主, 基体中主要为压应力, 且在界面边缘存在压应力集中的极限区域, 易使涂层产生裂纹并沿界面扩展。该模拟采用逐道逐层累积的方法更逼近实际喷涂过程, 能更准确预测涂层的残余应力。
等离子喷涂
ZrC基涂层
有限元模拟
逐道逐层沉积
残余应力
plasma spray
ZrC-based coatings
finite element simulation
path-by-path and layer-by-layer deposition
residual stress
PDF全文
Full Text
无机材料学报
2019, 34(7): 768
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