热障涂层高温性能评价的复阻抗谱测量技术与应用

摘要

热障涂层(Thermal Barrier Coatings，简称TBCs)是一种热防护材料，喷涂或沉积在金属高温部件表面，主要作用是降低金属部件的工作温度，达到提高热效率的作用。由于TBCs抗高温、耐腐蚀，性能优良，目前在航空航天等领域都应用广泛。但是TBCs是多层结构，层与层之间热膨胀系数不匹配，而其服役环境通常为高温高压，因此在工作中TBCs常发生高温氧化及CMAS(CaO-MgO-Al2O3-SiO2)腐蚀，最终导致涂层剥落失效。由于引起涂层剥落失效的因素很多，对热障涂层的检测及寿命预测造成困难，因此使用先进的检测技术对热障涂层的失效过程进行检测有重要意义。本文首先讨论了复阻抗谱(Impedance Spectroscopy，简称IS)测量过程中不同条件对其造成的影响，然后利用复阻抗谱方法研究了等离子喷涂(Plasma Spraying,简称PS)热障涂层的高温氧化及CMAS腐蚀性能。主要研究内容如下：
　　第一，讨论了不同测量参数及条件对复阻抗谱测量结果的影响，主要包括测量电压、测量温度、电极尺寸以及样品几何形状等，并且未氧化的涂层与氧化后有TGO生成的样品受影响的情况也有所不同。实验中对未氧化和氧化后的热障涂层样品分别讨论了四种因素的影响，结果表明随测量电压升高，低频处电极响应减小；测量温度升高，YSZ与TGO的电导率增加，阻抗响应减小；电极尺寸增加，不影响高频处YSZ的响应，但是TGO的峰值随电极尺寸增加而增高；有曲率的热障涂层其阻抗特性不随曲率变化，其复阻抗谱检测方法与平板状热障涂层的检测方法一致。
　　第二，利用复阻抗谱方法测量了热障涂层的高温氧化过程，使用扫描电镜观察了氧化后热障涂层的截面微观结构。结果表明，等离子喷涂法制备的热障涂层内部含有大量孔隙与微裂纹，在950℃氧化时陶瓷层会出现烧结现象，孔隙率降低，结构变得致密，陶瓷层阻抗响应减小；氧化8h后，在陶瓷层与粘结层界面有TGO生成，氧化48h后可以观察到连续的TGO层，其厚度约为2um，这时陶瓷层与孔隙的阻抗响应减小缓慢，而TGO厚度则随氧化时间增加而增厚，阻抗响应也随之增加。
　　第三，测量了CMAS与YSZ的阻抗值，并计算了其电阻率，讨论了等离子喷涂法制备的陶瓷层在受到CMAS高温腐蚀作用时其阻抗值的变化，结果表明在高温下YSZ首先发生烧结，孔隙率降低，随温度升高CMAS熔化渗入YSZ内部，并且与之发生化学反应，使YSZ发生相变，形成混合层。随着氧化时间增加，混合层增厚，YSZ的结构和稳定性遭到破坏，严重影响陶瓷层的寿命。

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第1章 绪论

1.1 引言

1.2 热障涂层概述

1.3 热障涂层的高温氧化与CMAS腐蚀及其检测

1.4 复阻抗谱的检测原理及其发展状况

1.5 本文选题依据和主要内容

第2章 热障涂层复阻抗谱测量参数的优化选择

2.1 热障涂层复阻抗谱测量方法

2.2 热障涂层复阻抗谱测量参数的选择

2.3 本章小结

第3章 热障涂层界面氧化的复阻抗谱检测

3.1 热障涂层的界面氧化与复阻抗谱检测

3.2 复阻抗谱检测结果与分析

3.3 本章小结

第4章 热障涂层CMAS腐蚀的复阻抗谱检测

4.1 实验过程

4.2实验结果与分析

4.3 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 工作总结

5.2 工作展望

参考文献

致谢

附录A：攻读硕士学位期间发表的专利及学术论文