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乐鱼体育最新地址:功用梯度涂料的要害总述:办法、功用和应战(1)

来源:乐鱼体育网页版登陆 作者:乐鱼体育网页版链接 发布时间:2024-03-29 03:33:18 1 次浏览

  本文在现有文献的基础上,经过描绘FGC处理的基本问题和潜力,对不同的FGC处理技能进行了批判性的回忆。本文为榜首部分。

  由于对不同功用的要求彼此对立,金属基材上的外表涂层一直是研讨人员面对的一个难题。近年来,功用梯度涂层由于其在许多先进工程运用中的机械、热学、电学和冲突学功用,已成为全世界研讨人员取得具有特定要求的涂层的资料。功用梯度复合资料是一种新式的传统复合资料,其相散布不均匀,构成润滑的梯度结构。因而,梯度涂层显现了一条新的研讨途径。因而,本文在现有文献的基础上,经过描绘FGC处理的基本问题和潜力,对不同的FGC处理技能进行了批判性的回忆。此外,本研讨提出了梯度涂层最重要的潜在运用和未来应战。

  在工程运用中,部件需求不同区域的分级功用,特别是阅历冲突、热、机械和化学效果的外表,以及在运用中危害部件的电化学彼此效果。除非对冲突和腐蚀现象进行操控和监测,不然无法康复这种损伤。近年来,功用梯度资料以其共同的梯度特性在各种工程趋势和运用中发挥了至关重要的效果。在许多工业运用中,这种分级行为削减了毛病并进步了零件的可靠性。功用梯度资料触及以逐层的方式混合两种不同的资料,这两种资料具有不同的特性和体积比,如图1a所示。功用梯度资料可分为三种方式,即:外表涂层、块体资料和界面层,如图1b所示。

  此外,图1c和d显现了加工办法的各种分类和依据标准的功用梯度资料的不同方式的示意图。外表涂层一般触及基材上的一层或双层均匀分段涂层。由于开裂耐久性差,这些涂层会发生开裂。引进功用梯度涂层(FGC)经过增强粘结粘结力、下降剩余热应力和显着进步弹性和开裂强度来战胜这些传统涂层的缺点。梯度结构的开展为细化资料和结构元素以进步功用和资料质量拓荒了一条新途径。为了到达某些高温条件,有必要对金属元件进行涂层。陶瓷涂层供给了一种共同的办法来别离和保存金属资料。

  最近针对涂层主题进行的几项研讨证明,较薄单层涂层体系的梯度结构具有与厚涂层体系适当的热裂纹容限。即使如此,依然迫切需求对功用梯度热障涂层(FG-TBC)进行有用规划,以深化评价失效机制。探讨了成长裂纹对FGC外表、FGC层和基材功用的影响。结果标明,经过改动基板的热膨胀系数(CTE)和杨氏模量,外表裂纹冲击削减。为研讨结构对多层陶瓷层涂层外表裂纹萌发的影响而进行的剖析提醒了裂纹扩展的原因,即由于应力下降和接连循环热应力而发生的张力。

  裂纹桥接的研讨有助于猜测梯度结构涂层中的裂纹扩展。梯度涂层的裂纹桥减轻了裂纹顶级的应力强度。层梯度对决裂驱动力和决裂持续时间有很大影响。相同,碳-硅FGC进步了碳纤维的抗氧化性。因而,基材和纤维的复合涂层能够有用阻挠裂纹的散布。

  近年来,许多研讨人员对FGC进行了理论研讨,要点是数学模型,如动力学体系、计算模型、微分方程或博弈论模型。一般来说,逻辑模型包含在数学模型中。用于FGC建模的数值模仿办法包含有限元法(FEM)、鸿沟元法(BEM)、有限差分法(FDM)和离散元法(DEM)。经历模型是依据调查而非理论的,也称为计算模型。经历建模是开发观测和实验模型的操作的通称。语义准则支配着经历模型的操作。

  另一方面,在功用梯度涂层范畴报导了很多的实验研讨,其要点是开发用于各种冲突、腐蚀和高温运用的陶瓷和金属涂层。多名评定人员评论了各种制作工艺,包含大气等离子喷涂(APS)、高速氧燃料(HVOF)、溅射工艺(SP)和用于双涂层和梯度涂层的电堆积工艺(ED),其间他们探讨了与每种工艺相关的加工和技能问题,如机械特性和运用。还回忆了热等静压(HIP)等用于进步结合强度和削减涂层中发生的剩余应力的后热处理工艺,提出了面对的应战和研讨时机。在曩昔十年中,研讨要点转向了外表梯度涂层的演化和改进、出产技能和各种运用的资料组成。图2a显现了近年来有关FGC概念的出版物和引文数量。

  图2 (a)关于FGC概念的出版物和引文数量(b)依据基本原理的FGC制作技能分类。

  虽然之前的研讨简要地确认了厚标准梯度资料制作工艺的应战,但值得注意的是,评论薄标准梯度涂层制作办法应战的研讨是有限的和未整合的。因而,依据FGC的潜在运用和优势,本文概述了依据基本原理(见图2b)的首要制作办法以及这些梯度涂层的功用。

  本文的其余部分安排如下:从第二节到第六节,探讨了依据FGC常用基本原理的出产办法,并供给了示意图。还考虑了出产办法和工艺参数的适用性和可行性,以制备具有梯度结构、资料成分、喷涂间隔和涂层厚度规模的涂层。此外,考虑到工业部门的各种运用,这些章节还评论了FGC选用的不同涂层资料功用,要点是铝、铜、铬镍铁合金、镍和钢。此外,这些章节探讨了不同的涂层颗粒,如氧化铝(Al2O3)、碳化硅(SiC)、碳化钨(WC)和氧化钇安稳氧化锆(YSZ),这些颗粒一般用于进步冲突学和高温功用。第七节评论了FGC的高档工程运用以及依据研讨距离的未来研讨时机。还评论了运用各种涂层和基材出产FGC时遇到的困难。本文还要点介绍了基底资料对FGC机械功用的影响。终究,第八节是总结和定论。

  传统等离子喷涂TBC在循环热应力下表现出严峻的回弹问题,由于梯度层和基材之间的粘结质量较差,下降了反抗腐蚀/腐蚀环境和层脱落的才能。经过在基材上运用梯度涂层纠正了这一问题。图3a显现了基板上不同涂层类型的示意图。

  图3 (a)基板上不同涂层类型的示意图和(b)显现氧化锆基涂层功用的示意图。

  当陶瓷组件用于FGC体系时,金属组件的功用是供给耐久性和硬度,而陶瓷组件供给满足的热阻。在等离子喷涂进程中,铝化合物以及钇和铬被氧化,生成的氧化物与YSZ反响,生成多种化合物。在四点曲折丈量中,陶瓷外表层的FGC弹性模量显着大于顶部金属层的FGC。由于YSZ的多孔结构,弹性模量和拉伸才能跟着YSZ含量的添加而下降。经过运用这些预混合的复合粉末,能够操控喷涂参数以供给滑润的涂层。

  氧化铝(Al2O3)和氧化锆(ZrO2)不固溶,虽然它们在高级离子喷涂水平的熔融环境中均匀混合。复合界面满足宽,以在热喷涂进程的温度下引起涂层零件的细微熔化和结构部件的氧化。在这些预混合ZrO2-NiCrAIY颗粒的施行中,由于剩余应力的下降,FGC层的键合一致性大大优于具有相同厚度的双相层。经过等离子喷涂运用这些球状粉末混合物的优点是具有一些特性,如更高速率的堆积水平、更好的形状安稳性、均匀的熔化特性和涂层厚度。声发射技能有助于规划者了解导致界面开裂的埋藏深缺点的基本原理。丈量结果标明,由于资料功用的逐步改变,具有梯度行为的多层膜的热应力抗力显着进步。因而,中间层的数量越多,热冲击维护就越大,发生的微观裂纹体积就越小,然后延伸寿数。图3b显现了氧化锆基涂层的各种功用的示意图。

  由于具有相同厚度的五层涂层的分级外表的数量,粘结安稳性和热循环阻力大大进步。这些层也归因于剩余应力散布的削减。功用梯度五层涂层的结合才能大约是双涂层的两倍,而且跟着涂层厚度的添加而下降。TBC工艺的功率和氧化防护遭到氧化铝层的引进和可控剩余张力的影响。与氧化锆比较,氧化铝具有更高的热导率,因而以为具有薄梯度行为的氧化铝层的热障功用不会遭到显着影响。图4描绘了经过改进FGC的陶瓷粉末的各种加工条件的示意图。

  在镍基和钴基合金上用等离子搬运弧处理制备的涂层具有优异的耐蚀性和耐磨性。镀层简直不依赖于镍基和钴基合金构成的化合物,这有助于进步耐磨性和耐腐蚀性。经过接连运用混合粉末层来构建硬外表。成分级配的添加导致水平裂纹容限的进步,一起伴跟着热机械功用从TBC到基板的改变。图5显现了在热冲击载荷下水平裂纹的构成。给定峰值外表温度的水平裂缝结尾跟着成分级配的添加而下降。具有等效热阻的TBC评价导致热冲击载荷下界面开裂阻力添加。经过扫描电子显微镜(SEM)和电子探针显微镜剖析(EPMA)研讨,氧化镁-氧化锆与粘结层的TBC清楚地标明,涂层中的描摹和浓度终究发生了改变。铬和铝成分会集在喷雾的鸿沟上,有助于发生氧化物。透射电子显微镜(TEM)调查促进了晶界之间的厚位移和孪晶畸变,以及Al和Cr的氧化物开展。在Ti–6Al–4V基材上,制备了功用梯度磷酸钙涂层,发现不同涂层水平之间的粘结强度显着高于梯度层与基材之间的粘附安稳性。

  氧化铬和25%镍铬与粘结层的结合标明,这些涂层的成分和机械强度导致了精密紧凑的结构。经过添加梯度层或下降碳化物颗粒密度,进步了这些涂层的抗热震性。然后经过添加Cr3C2的含量来进步这些涂层的显微硬度。镍钴铬铝钇合金粉末(NiCoCrAlY)分子的混合物进入固化的NiCoCrAlY,使splat充沛潮湿,调查到固化的YSZ splat在YSZ splat的底部潮湿性较低。经过等离子炬发生的NiCoCrAlY/YSZ梯度层发生了氧化铝与锆的无裂纹层组成,其结合强度优于双相层,抗拉强度约为9–18 MPa。这种梯度层压板的后处理下降了层中的剩余应力,并改进了粘附功用。

  依据资料和加工环境,热喷涂进程中涂层中发生的剩余应力或许具有广泛的内部强度和散布。由于剩余应力在粘接涂层中具有重要效果,因而需求正确评价其影响。剩余应力是指在没有外力或温度梯度的情况下留在物品中的剩余应力,在某些情况下,剩余应力会引起显着的塑性变形,然后导致物品变形。一般呈现的各种类型的剩余应力,如i)微观应力,其在性质上是长时间的,并散布在资料的几个晶粒上。ii)晶间应力,其在晶粒标准上改变。iii)原子标准应力,其是由于界面和位错应力场的相干性而发生的应力。剩余应力影响资料的机械行为,并决议其在热载荷、机械载荷和其他方式载荷下的功用,这些载荷或许导致脆性开裂、疲惫应力和疲惫开裂。热喷涂涂层中的剩余应力有两个首要本源,得到广泛认可。i)单个熔融颗粒加热基板,并在堆积的初始进程中固化。由于基质和相邻颗粒的存在,不或许彻底缩短。该进程发生剩余应力,称为“淬火应力”。ii)涂层冷却是喷涂的第二阶段。热膨胀系数的不匹配以及涂层和基材之间的温差会导致冷却应力。图6所示为热喷涂涂层中剩余应力状况的示意图。

  氧化钙(CaO)、氧化镁(MgO)、氧化钇(Y2O3)和氧化铈(CeO2)增强的氧化锆(ZrO2)陶瓷由于较低的热膨胀而一般用作热障涂层,然后下降界面应力。陶瓷氧化锆底层压板由于其低电导和相对较高的热膨胀系数(CTE)而被用于TBC,其最大极限地削减了界面层中的应力。大多数TBC失效依据工艺参数,包含外表形状、喷雾分子的增量增强和粘接强度。Al-NiCr/8YSZ热障涂层在铝合金上的结合强度略高于传统的NiCrAlY/8YSZ热障涂层。由于8YSZ和Al–NiCr相的梯度涣散,FG涂层的结合才能比双涂层更强。图7显现了具有首要工艺参数的基板上等离子喷涂办法的示意图。

  图7 (a)基板资料上等离子喷涂工艺示意图和(b)喷涂条件下考虑的工艺参数示意图。

  这些FGC在铝合金基板上具有超卓的热循环寿数,在350°C下可到达500次循环。图8显现了APS粘结层Al–NiCr外表粗糙度的3D显微照片。涂层表层的斑驳溢出(脱落)是由于粘结外表的不规则氧化、烧结和LZ7C3的再结晶构成的。涂层边际构成的溢出是由于热循环效应引起的热失配和热应力的影响。与两层涂层比较,FGC有用地削减了涂层不平衡,并在拉伸附着力测验中发生了更强的附着力。硬质碳化钛(TiC)颗粒在铁基体中的累积导致金属基复合资料的硬度和耐性添加,而含有少数TiC颗粒的层显现出较低的硬度。磨损实验结果标明,由于各层的粘附强度显着进步,因而具有优异的耐磨性。

  图8 经过(a)空气冷却(b)干冰喷发取得的粘结层Al–NiCr外表粗糙度的3D显微照片。

  在等离子体办法中,镍铬合金中的一些元素,如铝、铬和钇,与大气中的氧气发生反响,然后构成氧化物。图9显现了与铝和铬化合物构成的氧化物包裹体。FGC的形状、化学性质、孔体积和相浓度已逐步改进。双涂层的结合强度为37.9 MPa,而FGC的结合强度比57.8 MPa更显着,约为薄双涂层的1.5倍。含有焦绿石结构的锆酸盐的YSZ/Gd2Zr2O7 FGC(Gd2Zr2O7)是出产具有超低热导率和完美耐化学功用的热疲惫TBC的最佳装备。烧结效应发生了低孔隙率和裂纹,使涂层硬化。这种热成长氧化物(TGO)的厚度构成缓慢,周围层简直不会发生应力。

  硬度值在涂层表层周围改变,在薄涂层周围没有可辨认的极限。5层涂层的CTE逐步添加,然后渐渐削减了CTE之间的距离。氧化层中呈现了若干外表层裂纹,氧化动力学模型遵从抛物线水平规则。LaMA和YSZ涂层之间表现出较强的化学一致性。在1250℃以上的温度下,LaMA含量为75%和50%的复合资料的CTEs比单层YSZ涂层的CTEs高。这些涂层表现出杰出的外表温度功用,约1372°C,周期约为11749次。在五层LZ7C3/8YSZ陶瓷涂层中,CTE输出终究从结构层的顶部添加到内层。

  FGC经过在微观结构中供给适用的改进以及下降剩余应力散布来改进部件的机械功用和特性。经过进步对深度的重视,经过约束、阻挠和变形裂缝来进步对决裂的耐受性,证明了任何变形阻力。经过真空加热和热等后热处理,能够改进FGC涂层微观结构内的任何毛病和缺点。热等静压加热速率发生了新的碳化物结构,增强了涂层强度、机械功用并进步了涂层的耐久性。热应力首要由陶瓷层、粘结层、梯度层内部的温度梯度和基板外表之间的热膨胀毛病发生。HVOF工艺喷涂金属粘结层,APS体系堆积梯度陶瓷涂层。得出的定论是,梯度涂层的全体结合电阻优于两层涂层。图10a描绘了HVOF工艺的示意图,b-d显现了运用两种不同工艺热喷涂的两层涂层和FG涂层的横截面显微照片和粘结强度值。

  图10 (a)基材上HVOF热喷涂办法的示意图,(b)-(c)(b)双相资料的SEM显微照片,(c)经过两种不同热喷涂工艺的FG涂层,以及(d)粘结强度。

  在规划功用梯度薄膜时,规划者应考虑平衡硬度和应力要素。在铝基体上喷涂铝/工具钢FGC削减了所需的涂层数量,并进步了硬度、堆积密度和剩余应力。WC-Co/NiAl FGC在恶劣条件下维护基材免受磨损和腐蚀。由于运用曲折工艺将喷涂进程中累积的应力降至镍铝(NiAl)丰厚层中,因而厚层的结构失效危险下降。

  Al2O3-NiKr等环境隔绝涂层(EBC)的耐初始极化功用远优于同质涂层,由于它们具有优异的腐蚀安稳性。FGM-EBC具有比两层或均匀涂层更高水平的机械特性,且张力较小。在较高温度下进行的盐腐蚀实验标明,涂层中没有硫、氯化物和高碱性痕迹的痕迹。TGO 8层FGC的密度比其他TBC结构低,由于其上外表陶瓷密度更大。TGO厚度随陶瓷涂层厚度的添加而减小。TBC试样黏附才能随维护涂层厚度的添加而下降。图11显现了单层(SL)、双层(DL)、FGC 4、FGC 8和FGC 12层的外表涂层和结合层之间构成的TGO显微图。

  经过100%WC-Co上涂层的HVOF涂层,有用地运用瞬态金属结合膜来避免PMRII/WC-Co层中的缺点。需求确认该结合层的厚度和累积功用对涂层抗腐蚀性的影响。图12显现了热循环氧化铝和FGC 8以及CYSZ和FGC 8试样的初始粉末、喷涂涂层和涂层的相剖析。

  图12 a)氧化铝和FGC 8试样的初始粉末、喷涂涂层和热循环涂层的XRD剖析,b) CYSZ和FGC 8试样。