二元稀土氧化物摻雜穩(wěn)定氧化鋯熱障涂層材料的制備及性能研究.pdf

1、傳統(tǒng)6～8wt.％Y2O3-ZRO2(YSZ)熱障涂層的相變和燒結(jié)(>1200℃)，限制了其在更高溫度的使用。因此，為滿足高推重比航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)熱障涂層材料的性能要求，研制在1200℃以上具有相穩(wěn)定性、抗燒結(jié)和低熱導(dǎo)率的新型熱障涂層材料具有極其重要的意義。
　　 采用化學(xué)共沉淀-煅燒法制備了(La2O3，Y2O3)-ZrO2(LaYSZ)、(Yb2O3，Y2O3)-ZrO2(YbYSZ)、(Sc2O3，Y2O3)-ZrO2(ScY

2、SZ)三種體系稀土氧化物復(fù)合穩(wěn)定氧化鋯陶瓷材料，并對(duì)其高溫相穩(wěn)定性和熱物理性能進(jìn)行了研究，分析和討論這三種體系作為高溫?zé)嵴贤繉硬牧蠎?yīng)用的可能性；揭示二元稀土氧化物穩(wěn)定氧化鋯的晶體學(xué)特征、穩(wěn)定劑含量對(duì)相穩(wěn)定性的影響規(guī)律以及多元體系的相變機(jī)理；采用等離子噴涂(APS)技術(shù)制備了ScYSZ體系熱障涂層，分析了涂層的相穩(wěn)定性、相變動(dòng)力學(xué)特征以及摻雜原子特征(化合價(jià)、原子量、離子半徑)對(duì)熱導(dǎo)率的影響機(jī)制，并對(duì)涂層在高溫氧化、腐蝕、熱沖擊環(huán)境下的組

3、織結(jié)構(gòu)演變和失效機(jī)理進(jìn)行了研究，為新型熱障涂層材料的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用提供理論依據(jù)。
　　 較系統(tǒng)地研究了LaYSZ，YbYSZ，ScYSZ體系陶瓷粉末的相穩(wěn)定性和熱物理性能。與YSZ陶瓷材料相比，1.0LaYSZ在1400℃具有較好的相穩(wěn)定性，且La2O3的加入能有效抑制陶瓷坯體燒結(jié)。3.5YbYSZ、(5.3～7.1)ScYSZ在1400℃、1500℃均具有較好的相穩(wěn)定性、抗燒結(jié)性以及較低的熱導(dǎo)率，其中ScYSZ體系中非平衡四方相(

4、t')的穩(wěn)定區(qū)域較大，且Sc2O3的加入對(duì)抑制燒結(jié)和降低熱導(dǎo)率效果最為顯著。因此，三種體系中，ScYSZ體系為TBCs材料最佳選擇。
　　 三種多元體系陶瓷粉末的晶體學(xué)特征表明穩(wěn)定劑含量與熱處理溫度是決定t'相穩(wěn)定性的重要因素。建立了多元體系四方度(c/√2a)與穩(wěn)定劑含量的定量關(guān)系，三種體系的四方度均隨穩(wěn)定劑含量的增加而線性減小。高穩(wěn)定劑區(qū)域易于t'相和立方相(c)穩(wěn)定，而低穩(wěn)定劑區(qū)域易于平衡四方相(t)和單斜相(m)形成。S

5、cYSZ體系粉末的相變動(dòng)力學(xué)特征表明t'相向t相和c相的轉(zhuǎn)變是與溫度和時(shí)間密切相關(guān)的擴(kuò)散型相變，其相變速率取決于摻雜原子的擴(kuò)散速率。高溫?zé)崽幚磉^(guò)程中摻雜原子擴(kuò)散引起的穩(wěn)定劑分布不均是導(dǎo)致t'相穩(wěn)定性降低的直接原因。
　　 采用Avrami方程建立了ScYSZ陶瓷粉末和涂層相變量與時(shí)間的關(guān)系。熱處理溫度越高，涂層的相變?cè)杏谟。粚?duì)于同種成分材料，在相同的熱處理?xiàng)l件下，涂層的相變?cè)杏诿黠@大于粉末的相變?cè)杏?，表明涂層微觀組織結(jié)構(gòu)

6、、應(yīng)力、缺陷、晶格畸變等對(duì)相變有著重要的影響。6.4Sc0.5YSZ和7.1Sc0.53YSZ涂層分別在1400℃熱處理550h和1500℃熱處理300h均未發(fā)生相變。6.4Sc0.5YSZ和7.1Sc0.53YSZ具有優(yōu)良的高溫相穩(wěn)定性。
　　 根據(jù)聲子導(dǎo)熱機(jī)制和缺陷化學(xué)原理，分析了摻雜原子特征及摻雜量對(duì)熱導(dǎo)率的影響機(jī)制。對(duì)于低價(jià)陽(yáng)離子摻雜穩(wěn)定氧化鋯體系，氧空位和置換原子缺陷均可加強(qiáng)聲子散射，降低聲子平均自由程，從而降低熱導(dǎo)率

7、。ScYSZ體系中Sc與Zr較大的原子量和離子半徑差異對(duì)降低熱導(dǎo)率貢獻(xiàn)較大；增加ScYSZ體系中Sc2O3的含量使氧空位數(shù)量增多也可有效降低熱導(dǎo)率。涂層中相組成、晶界、裂紋和孔隙對(duì)熱導(dǎo)率有著重要影響。與8YSZ涂層相比，ScYSZ涂層的高相穩(wěn)定性和抗燒結(jié)性是其具有低熱導(dǎo)率的重要原因。
　　 研究了ScYSZ(TC)/NiCoCrAlTaY(BC)雙層結(jié)構(gòu)熱障涂層在高溫氧化、腐蝕和冷熱循環(huán)載荷條件下的失效機(jī)理。高溫氧化試驗(yàn)結(jié)果表明

8、BC層的氧化導(dǎo)致TC/BC界面形成熱生長(zhǎng)氧化物(TGO)層，TGO層的生長(zhǎng)應(yīng)力以及TGO與TC，BC熱膨脹系數(shù)不匹配產(chǎn)生的熱應(yīng)力是導(dǎo)致涂層氧化失效的主要原因。TGO層的生長(zhǎng)應(yīng)力主要是由大體積氧化物(Cr，Al)2O3+(Co，Ni)(Cr，Al)2O4+NiO(CSN)的形成和生長(zhǎng)而產(chǎn)生的；當(dāng)TC/BC界面有連續(xù)TGO層生成時(shí)，TGO與TC、BC的熱失配而產(chǎn)生的熱應(yīng)力開(kāi)始作用。采用ANSYS軟件對(duì)TC/TGO/BC涂層及界面的熱應(yīng)力分布

9、進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明熱失配導(dǎo)致TGO層產(chǎn)生較大的徑向壓應(yīng)力，從而對(duì)涂層造成壓縮性破壞。TC/TGO界面壓應(yīng)力值最大且自試樣中心向邊緣逐漸減小。隨著氧化時(shí)間的增加，涂層最終以TC層中心鼓起和剝離的方式失效，剝離面為TC/TGO界面。涂層高溫腐蝕和熱震試驗(yàn)結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的YSZ涂層相比較，ScYSZ涂層具有更好的抗V、S腐蝕能力及抗熱震性能，但在腐蝕劑作用下，粘結(jié)層的氧化速率被大大提高；在長(zhǎng)期冷熱循環(huán)載荷條件下，TC/BC界面有較大厚度的