YAG/8YSZ双陶瓷热障涂层体系高温氧化和CMAS腐蚀性能研究

摘要

热障涂层（Thermal Barrier Coatings,TBCs）被应用于燃气轮机高温热端部件，使基体合金可在更高温度范围服役。TBCs服役寿命及抗高温氧化、CMAS腐蚀等性能是衡量TBCs功能的重要指标。新型TBCs材料钇铝石榴石（Y3Al5O12,YAG）具有高的相稳定性与隔氧性、低的热导率及对CMAS的良好抗性，因其较低的热膨胀系数设计了YAG/8YSZ双陶瓷层TBCs结构。采用爆炸喷涂（D-GUN）制备粘结层（NiCoCrAlY），大气等离子喷涂（APS）制备YAG和8YSZ陶瓷层。利用SEM和XRD分析涂层氧化、腐蚀及热震前后截面与表面特征，比较研究了大气环境中8YSZ单陶瓷和YAG/8YSZ双陶瓷TBCs体系的抗高温氧化性能、抗CMAS腐蚀性能及CMAS与YAG之间的反应性，最后采用热震实验表征了2种涂层体系的循环寿命。 高温氧化失效是TBCs失效的主要模式之一。本文对比研究了8YSZ单陶瓷和YAG/8YSZ双陶瓷TBCs体系在1100℃等温氧化不同时间后的氧化增重动力学、YAG陶瓷层微观结构与物相及热生长氧化物（Thermally Grown Oxide,TGO）生长过程和生长动力学。结果表明，YAG陶瓷层在1100℃等温氧化300h后无明显相结构转变，孔隙率稍有降低；YAG/8YSZ双陶瓷层体系较8YSZ单陶瓷层体系氧化增重速率降低1.7倍，TGO生长速率降低1.4倍，粘结层β-NiAl相消耗速度及岛状氧化物生长速度更低，表现出更好的抗高温氧化性能。 CMAS腐蚀已成为航空发动机叶片表层热障涂层（TBCs）失效的重要因素之一。将YAG/CMAS混合粉（质量比1:1）和表面涂覆有CMAS粉的2种TBCs在1250℃分别保温12h和1h、4h及12h，研究了YAG粉末与CMAS之间的反应情况及2种TBCs的CMAS腐蚀过程和腐蚀机理。结果表明：充分接触的YAG和CMAS粉在1250℃下仅在YAG粉末颗粒边缘位置发生反应，YAG表现出良好的CMAS抗性和高温稳定性；8YSZ单陶瓷TBCs腐蚀1h后，陶瓷层与CMAS发生剧烈反应，Y离子的浸出引发8YSZ四方相向单斜相转变，12h后CMAS完全渗入8YSZ陶瓷层；而YAG/8YSZ双陶瓷TBCs腐蚀过程中，CMAS未渗透YAG面层陶瓷层，保护底层陶瓷层8YSZ未被侵蚀损害，同时YAG陶瓷层内部结构保持完整，仅在CMAS/YAG界面发生反应生成了针状和块状的高熔点惰性磷灰石相，其密封在涂层孔隙及裂纹中封阻了CMAS的渗入，提高了YAG/8YSZ双陶瓷TBCs体系的抗CMAS腐蚀性能。 最后，在模拟TBCs实际服役工况的基础上，采用热震实验表征了两种涂层体系的循环寿命。结果表明，YAG/8YSZ双陶瓷TBCs体系热震次数是8YSZ单层体系的41%。YAG/8YSZ双陶瓷体系界面多，层间热膨胀系数相差较大等因素致使其表现出抗较差的抗热震性能。 综上所述，这种YAG/8YSZ双陶瓷TBCs体系结构高温下表现出来良好的稳定性及氧化和CMAS腐蚀抗性，为YAG/8YSZ双陶瓷TBCs的应用提供了理论和实验参考。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 热障涂层技术应用背景及意义

1.2.1 热障涂层的结构

1.2.2 热障涂层的材料

1.2.3 热障涂层制备工艺

1.3 热障涂层的失效机制

1.3.1 氧化失效机制

1.3.2 CMAS腐蚀失效机制

1.3.3 循环失效机制

1.4.1 研究目的

1.4.2 研究内容的提出

1.4.3 主要研究内容

第2章 实验材料与方法

2.1 实验材料

2.2 涂层制备及CMAS粉末制备

1）氧化试样制备

2）CMAS 腐蚀试样制备

3）热震试样制备

4）CMAS 粉末制备

2.3.1 高温氧化实验

2.3.2 CMAS腐蚀实验

2.3.3 热震性能检测

2.4.1 显微组织形貌观察

2.4.2 物相分析

第3章 YAG/8YSZ双陶瓷TBCs和8YSZ单陶瓷

3.1 引言

3.2 涂层喷涂态微观结构形貌

3.3 氧化增重规律

3.4 陶瓷层相分析及微观结构

3.5 TGO生长过程与氧化动力学分析

3.6 本章小结

第4章 YAG/8YSZ双陶瓷与8YSZ单陶瓷TBCs体系CMAS腐蚀性能研究

4.1 引言

4.2 CMAS粉末物理性能测试

4.3 YAG粉末颗粒CMAS腐蚀物相及形貌分析

4.4.1 CMAS腐蚀物相及表面形貌分析

4.4.2 TBCs深度方向腐蚀行为研究

4.5 本章小结

第5章 YAG/8YSZ双陶瓷TBCs和8YSZ单陶瓷TBCs 抗热震性能研究

5.1 引言

5.2.1 热震失效次数及表面宏观形貌

5.2.2 热震过程质量损失

5.3.1 热震失效后形貌表面分析

5.3.2 热震失效后表面相分析

5.3.3 热震失效后截面形貌分析

5.4 本章总结

结论

参考文献

展望

致谢

附录A 攻读硕士期间所发表的论文