大气等离子喷涂制备三元纳米YSZ热障涂层及性能研究

摘要

为了使热障涂层能够适应更加恶劣的工作环境，掺杂添加剂的新型热障涂层因其在降低涂层热导率、提高热震性能等方面具大较大的潜力而成为国内外研究的热点之一。本文在纳米ZrO2-8wt％Y2O3中分别添加不同含量的La2O3，Nb2O5纳米粉末，采用喷雾造粒工艺对其进行团聚并进行高温预处理来作为隔热层材料，用NiCrAlY作为粘结层材料。采用大气等离子喷涂工艺制备出三元纳米ZrO2-Y2O3-MxOy热障涂层及纳米YSZ涂层。研究了添加了氧化物后粉末的颗粒特性及高温预处理对粉末的微观形貌的影响；观察研究了不同涂层的组织结构并测试了涂层的一些性能；比较了不同涂层在同等边界条件下的隔热性能，分析了隔热机理；通过热震实验研究了涂层的高温性能。
　　 研究表明，利用纳米团聚粉末可以用大气等离子喷涂工艺制备出具有纳米结构的热障涂层。纳米粉末团聚颗粒具有纳米结构且满足喷涂要求；添加的氧化物没有对团聚颗粒的形貌及相结构造成影响：掺杂涂层中存在两种组织结构，即纳米结构组织和微米结构组织；制备的涂层的组成相主要为t相，没有m相，这是由于较高的冷却速率抑制了t→m的转变；涂层具有良好的微裂纹形态和分布，且涂层中存在典型的层状结构和非层状结构这两种结构形式。
　　 在热学性能方面，涂层的热导率都随温度的升高而降低，掺杂涂层的热导率低于纳米YSZ涂层，说明适量掺杂La2O3，Nb2O5可以进一步降低涂层热导率；在同样的边界条件下，掺杂纳米涂层比纳米YSZ涂层具有更好的隔热性能；热震实验结果表明，添加La2O3和Nb2O5后，涂层的热震性能下降，但由大气等离子喷涂工艺制备的热障涂层仍具有良好的抗热冲击性能；掺杂La2O3后，涂层的结合强度随掺杂量的提高而提高，且掺杂一定量La2O3后的涂层的结合强度高于未掺杂涂层的结合强度，而掺杂Nb2O5后，涂层的结合强度要低于纳米YSZ涂层。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 热障涂层的结构

1.3 热障涂层材料

1.3.1 纳米材料在热障涂层中的应用

1.3.2 掺杂添加剂的热障涂层

1.3.3 化合物陶瓷材料热障涂层

1.3.4 热障涂层中的粘结层

1.4 等离子喷涂粉末的制备

1.5 热障涂层的制备技术

1.5.1 等离子喷涂技术

1.5.2 电子束物理气相沉积技术

1.5.3 其他技术

1.6 本文的目的和研究内容

第二章 实验材料、设备和方法

2.1 实验材料

2.2 实验技术路线

2.3 实验样品的制备

2.3.1 喷涂粉末的制备

2.3.2 热障涂层的制备

2.4 实验测试方法

2.4.1 微观结构的测试

2.4.2 喷涂粉末的流动性测试

2.4.3 大气等离子喷涂对基体硬度的影响测试

2.4.4 差热分析实验

2.4.5 涂层热导率的测试

2.4.6 涂层隔热性能的测试

2.4.7 涂层热震性能的测试

2.4.8 热障涂层的结合强度的测试

第三章 纳米喷涂粉末的制备及表征

3.1 原始纳米粉末的分析

3.2 纳米结构粉末的团聚及分析

3.2.1 YSZ团聚粉末的相组成及形貌分析

3.2.2 La2O3-YSZ团聚粉末的相组成及形貌分析

3.2.3 Nb2O5-YSZ团聚粉末的相组成及形貌分析

3.3 纳米团聚粉末的热处理分析

3.3.1 La2O3-YSZ团聚粉末的热处理分析

3.3.2 Nb2O5-YSZ团聚粉末的热处理分析

3.3 纳米团聚粉末的流动性

第四章 热障涂层微观结构的分析

4.1 基体的显微硬度分析

4.2 涂层的相结构的分析

4.3 热障涂层的组织结构

4.3.1 热障涂层的结构

4.3.2 热障涂层的表面形貌

4.3.3 热障涂层的断面形貌

4.4 掺杂涂层的EDS分析

4.5 涂层的DSC分析

第五章 热障涂层的热物性研究

5.1 不同涂层的热导率

5.1.1 涂层的密度

5.1.2 涂层的比热

5.1.3 涂层的热扩散系数

5.1.4 涂层的热导率

5.2 涂层隔热性能

5.3 影响涂层隔热性能的因素

5.3.1 涂层的隔热机理

5.3.2 涂层组织结构对隔热性能的影响

5.3.3 掺杂纳米氧化物对隔热性能的影响

第六章 热障涂层的热震性能与结合强度的分析

6.1 涂层的热震性能

6.2 涂层的结合强度

第七章 结论

参考文献

致谢

附录 攻读硕士期间发表的论文