LZO/8YSZ双陶瓷热障涂层高温氧化及CMAS腐蚀性能研究

摘要

热障涂层（Thermal Barrier Coatings,TBCs）由高温合金基体、粘结层（Bond-Coat，BC）、陶瓷隔热涂层（Top-Coat，TC）构成。目前被广泛应用的热障涂层陶瓷材料为8wt%的氧化钇部分稳定氧化锆（8wt%Yttria-stabilized zirconia,8YSZ），其具有较低的热导率（0.69-2.4W/（m·K）（1273K）），高的强度和断裂韧性（1.3~3.2MPa·m1/2）。但是，温度大于1100℃时，陶瓷层中更高的氧扩散速率会导致金属粘结层氧化加速、YSZ/热生长氧化物（Thermally Grown Oxide,TGO）界面晶格参数失配；另外在1170℃以上的钙镁铝硅氧化物（CaO-MgO-Al2O3-SiO2,CMAS）腐蚀环境服役时，会因YSZ涂层中钇元素缺失而导致相变，进而引发裂纹及过早剥落的现象等问题限制其在更高温度、更复杂环境下的应用。本研究利用锆酸镧（La2Zr2O7,LZO）材料的高温隔热性、氧不透过性和同CMAS反应生成磷灰石相封阻层减缓熔盐渗透的特点，采用爆炸喷涂（D-Gun）制备粘结层，大气等离子（APS）制备LZO/8YSZ双陶瓷热障涂层，对其双陶瓷结构的等温氧化、热震和CMAS腐蚀性能做了细致研究，揭示了LZO/8YSZ双陶瓷TBCs在减缓粘结层氧化、有效阻碍CMAS渗透的作用机制，为设计长寿命LZO/8YSZ双陶瓷热障涂层提供数据参考。 利用1100℃等温氧化试验表征LZO/8YSZ双陶瓷TBCs的氧化性能，揭示了LZO材料的阻氧作用对粘结层氧化的抑制机理。研究表明：LZO/8YSZ双陶瓷TBCs中粘结层内未见氧化产生的条带状氧化物及孔洞等明显现象，相对氧化增重为2.82mg/cm2，低于8YSZ单陶瓷TBCs的3.13mg/cm2；且TGO中未见明显分层现象（下层为Al2O3，上层为Cr2O3、NiO和(Ni,CO)(Cr,Al)2O4尖晶石化合物），TGO生长速率为5.79×10-2μm2/h，厚度值为3.75-5.25μm，低于8YSZ单陶瓷TBCs的TGO生长速率6.26×10-2μm2/h和TGO厚度值5-5.5μm。即LZO/8YSZ双陶瓷TBCs表现出TGO生长速率低、厚度小、尖晶石等混合氧化物少，粘结层中β相变速率慢的特点，最终降低了粘结层的氧化速率，因而具有更好的抗氧化性能。 利用1100℃热震试验表征LZO/8YSZ双陶瓷TBCs的热震性能，研究了双层结构的失效次数、失效位置并揭示了失效机理。研究表明：1100℃LZO/8YSZ双陶瓷TBCs的热震次数为15次，主要失效方式为中心位置处LZO层内部的层离和8YSZ/粘结层界面靠近8YSZ一侧的分离脱落，其热震寿命略低于8YSZ单陶瓷TBCs的27次，主要是LZO冷热交替下热膨胀系数不匹配引发的应力集中和LZO材料自身的低脆性共同导致。 利用1250℃CMAS腐蚀试验表征LZO/8YSZ双陶瓷TBCs的腐蚀性能，阐明LZO封阻保护的原因。研究表明：1250℃CMAS腐蚀12h，LZO/8YSZ TBCs反应层物相以球状ZrO2和棒状Ca2La8(SiO4)6O2为主，并伴有少量CaAl2Si2O8和MgAl2O4，LZO剩余约55μm，即反应完小于50%的LZO层；而8YSZ TBCs变为以球状m-ZrO2为主的疏松结构，腐蚀深度约为300μm(即整个8YSZ层)。腐蚀后8YSZ、LZO硬度均有所增加，但提高的面内刚度尚未引发腐蚀界面分层开裂。LZO陶瓷层作为双陶瓷TBCs牺牲防护层，依靠La同CMAS反应生成致密磷灰石(Ca2La8(SiO4)6O2)的封阻作用，有效减少CMAS渗入，抑制了内部8YSZ的不稳定性。

目录

声明

第 1章绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 热障涂层概述

1.2.1 热障涂层体系结构

1.2.2 热障涂层的制备方法

1.2.3 热障涂层的失效诱因

1.3 新型热障涂层的研究进展

1.3.1 新型热障涂层的结构与性能

1.3.2 锆酸镧热障涂层的制备与性能

1.4 选题依据及研究内容

第 2 章 涂层制备及实验方法

2.1.1 基体材料

2.1.2 粘结层材料

2.1.3 陶瓷层材料

2.2 涂层制备工艺

2.2.1 爆炸喷涂制备粘结层

2.2.2 大气等离子制备陶瓷层

2.3 高温性能试验

2.3.2 1100℃热震实验方案

2.3.3 1250℃CMAS腐蚀实验方案

2.4.1 X射线衍射物相分析

2.4.2 扫描电子显微镜分析

2.4.3 显微硬度测试

2.4.4 孔隙率测试

2.4.5 粗糙度的测试

2.4.6 热生长氧化物（TGO）厚度测量

第 3 章 LZO/8YSZ双陶瓷热障涂层高温氧化性能研究

3.1 喷涂态8YSZ单陶瓷、LZO/8YSZ双陶瓷热障涂层形貌

3.2.1 陶瓷层的相变

3.2.2 陶瓷层的烧结

3.3 氧化对8YSZ单陶瓷、LZO/8YSZ双陶瓷热障涂层中TGO生长的

3.3.1 TGO的厚度变化

3.3.2 TGO的成分变化

3.4.1 粘结层的氧化形貌及增重曲线

3.4.2 粘结层的相变

3.5 本章小节

第 4 章 LZO/8YSZ双陶瓷热障涂层热震性能研究

4.1 8YSZ单陶瓷、LZO/8YSZ双陶瓷热障涂层的热震失效次数

4.2 8YSZ单陶瓷、LZO/8YSZ双陶瓷热障涂层的热震失效位置

4.3 8YSZ单陶瓷、LZO/8YSZ双陶瓷热障涂层的热震失效机理

4.4 本章小节

第 5 章 LZO/8YSZ双陶瓷热障涂层CMAS腐蚀性能研究

5.1 腐蚀对8YSZ单陶瓷、LZO/8YSZ双陶瓷热障涂层中陶瓷层表

5.1.1 陶瓷层表面物相分析

5.1.2 陶瓷层表面形貌分析

5.2 腐蚀对8YSZ单陶瓷、LZO/8YSZ双陶瓷热障涂层截面形貌和

5.3 腐蚀前后涂层硬度

5.4 腐蚀渗透深度

5.5 本章小节

结论

参 考 文 献

致谢

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