低散熱內燃機用二氧化鋯熱障涂層的熱力學仿真與界面性能優(yōu)化調控研究.pdf

1、本文基于熱障涂層(TBCs)系統優(yōu)良的隔熱和抗高溫腐蝕性能，采用大氣等離子噴涂(APS)和超音速火焰噴涂(HVOF)工藝在低散熱內燃機用鋁合金材料和鑄鐵材料基體上分別制備了8YSZ陶瓷涂層和CoNiCrAlY粘結層，研究了雙層結構熱障涂層的服役壽命和失效機理。針對熱障涂層與基體之間熱膨脹性能不同所引起的界面失效問題，提出了以Ni基化學鍍層為過渡層的涂層體系改進方案。研究了過渡層對于涂層的結合強度、服役壽命、破壞形式和失效機理的影響。所獲

2、得的主要研究成果如下：
　　首先，采用ANSYS軟件建立了噴涂有熱障涂層的活塞三維穩(wěn)態(tài)有限元模型。研究了鋁合金活塞和鑄鐵活塞頂部熱障涂層的溫度和應力分布，以便于從力學角度解釋涂層失效的原因。研究表明熱障涂層可顯著提高活塞頂部的工作溫度。隨著陶瓷層厚度的增加，陶瓷層的表面溫度逐漸升高，基體表面溫度和涂層界面處熱應力的幅值均逐漸降低。對于兩種基體在粘結層與基體界面處的應力幅值均較高，使涂層易于在此區(qū)域發(fā)生斷裂而失效。
　　其次，

3、采用熱震系統研究了2A70鋁合金基體上熱障涂層的抗熱震性能和破壞形式。通過實驗分析闡明了雙層結構熱障涂層的失效機理，評估了化學鍍過渡層對于涂層失效機理的作用。研究表明鋁合金基體上熱障涂層的壽命約為60次。化學活性高的Mg和Al元素在基體表面和裂紋表面與O結合形成的脆性氧化層在交變應力作用下發(fā)生破裂而使裂紋擴展導致涂層失效剝離。加入過渡層后，涂層的熱震壽命有了大幅度提高。帶有Ni-P鍍層和帶有Ni-Cu-P鍍層的熱障涂層壽命分別提高至約6

4、00次和300次。過渡層與基體之間的互擴散在兩者界面處生成了雙層結構的Ni-Al化合物擴散層以及顆粒，Ni-Al相脆性大和變形能力差的特點導致在擴散層與基體的界面處發(fā)生斷裂。
　　最后，通過對QT-500球墨鑄鐵基體上熱障涂層的抗熱震性能和失效形式的研究，闡明了水淬條件下鑄鐵基體上熱障涂層的失效機理。試驗中測試了以化學鍍層為過渡層來延長熱障涂層壽命的方案。研究表明鑄鐵基體上雙層結構熱障涂層的熱循環(huán)壽命約為1000次，而加入了化學鍍

5、保護層后，經過約1400次的測試，試樣表面的陶瓷層仍舊比較完整。涂層中的貫穿型縱向裂紋擴展至基體表面后，在基體表面生成了主要由Fe和Si的氧化物組成的氧化區(qū)。加入過渡層后，在鍍層失效的區(qū)域，在粘結層和鍍層界面處以及鍍層和基體界面處均分別生成了具有雙層的結構的氧化層。
　　化學鍍過渡層對于鋁合金基體和鑄鐵基體上熱障涂層的抗熱震性能均有明顯的改善作用。過渡層的加入有效地緩解了熱障涂層和基體之間的熱失配應力。此外，過渡層也改善了鑄鐵基體