摘要
热障涂层(Thermalbarriercoatings，简称TBCs)是一种不可或缺的热防护技术，它经常被大量用在发动机，尤其是航空发动机上，这项热防护技术被全世界权威机构所认可，在全世界推进推广，尤其是用在热端部件。热障涂层不同的制备工艺决定其不同的微观结构，从而影响涂层的服役性能。电子束物理气相沉积(EB-PVD)因为其材料制备的微结构以及成分可控被广泛的应用于航空发动机和燃气轮机高温部件热障涂层的制备。研究热障涂层制备工艺-微观结构-服役性能三者间的关联是改善、提高涂层性能的必要手段，也是每个国家尤为重视的发动机核心竞争力。基于此，本文系统研究了EB-PVD制备热障涂层的工艺、微观结构、涂层性能三者之间的关联，借助航空发动机模拟服役装置研究了不同工艺参数样品的服役寿命。主要研究结果如下： 第一，热障涂层EB-PVD制备装置改进与调试。对沉积过程中影响沉积量的因素做了定性定量分析，分析结果表明由于受到“阴影效应”的影响，涡轮叶片在匀速转动时叶背与叶盆处沉积的涂层厚度并不一样。因而进行了夹持器转速的理论设计。基于LabVIEW和单片机设计了夹持器的测控系统，以单片机作为夹持器测控系统的控制部分，步进电机为夹持器测控系统的执行部分，LabVIEW虚拟仪器开发软件前界面作为夹持器测控系统的电机转动角度显示部分。抽真空系统设计。通过设置低温泵对真空室抽气，使真空室内快速达到要求的真空度，通过低温泵与前驱泵结合使用，提高了的该装置的抽气效率，同时前驱泵与低温泵同时工作，及时抽出低温泵靠近真空腔管路的气体，降低了低温泵的热负载，解决了现有设备高温通氧环境下的热负载导致低温泵的再生时间变长，并使得低温泵不能在高温通氧环境下长期使用的技术问题。 第二，EB-PVD制备YSZ涂层工艺与微观结构的关联。本文系统研究了基底加热温度、旋转速度、粘结层预处理对涂层微观结构的影响。研究表明，不旋转情况下随着基底加热温度升高，涂层微观结构分别呈倒锥、柱状晶形态；基底加热温度与旋转速度对于EB-PVD制备热障涂层的微观结构影响是一个相互竞争的关系，当旋转占主导地位时，更容易形成分支更多的羽毛柱状晶结构；而基底温度占主导地位时，更容易形成笔直分支少的柱状晶结构。粘结层表面预处理可形成不同粗糙度的表面，粘结层热处理温度越高，循环氧化后的TGO厚度越薄。 第三、EB-PVD制备YSZ涂层微观结构与服役性能的关联。本文研究了TBCs在热冲击、高温氧化等环境下的破坏失效机理，建立了有效的测试方法。在热冲击条件下涂层与基底间的热膨胀系数不匹配是导致涂层剥落的主要原因；实验表明，在高温氧化环境中，不同的厚度的涂层对于剥落影响不大。而界面粗糙度的不同直接导致了TGO的生长速度与生长孔隙率差异，最终导致涂层提前失效。实验表明TGO缓慢匀速生长能有效阻止热障涂层进一步氧化，氧化界面的开裂是热障涂层发生破坏失效的重要原因。
NETL