未烧结纳米YSZ粉体沉积及其对纳米涂层结构和性能的影响

摘要

纳米结构热障涂层优良的隔热以及抗热冲击性能使其成为行业应用和研究的焦点。等离子喷涂纳米陶瓷团聚粉体形成的涂层具有“bimodal structure”，具有该陶瓷涂层结构的热障涂层被认为是极具应用潜力的新型热障涂层。涂层的优良性能与“bimodal structure”中纳米区域的含量和结构密切相关，但“bimodal structure”的构成对喷涂参数非常敏感，结构调控和性能优化难度较高。本文利用粉体属性对涂层结构的影响来研究纳米涂层结构的调控问题，并针对造粒后不同烧结工艺产生的团聚粉体属性差异对涂层结构控制带来的不利影响，采用未烧结纳米YSZ团聚粉体，通过喷涂试验研究其在增加纳米区域含量和促进涂层性能提升上的优势。并在此基础上研究降低稳定剂Y2O3含量对纳米结构热障涂层性能的作用以及降低环境压力对涂层结构的影响，这对纳米结构热障涂层的性能优化有重要意义。
　　在常压下采用试验研究的方法，研究通过喷涂参数调节和使用未烧结粉体来实现涂层中纳米区域含量的提升，分析涂层的结构与性能特征。结果表明，单一采用降低射流温度的方式提高纳米区域含量将以牺牲涂层质量为代价，导致YSZ涂层与粘结层界面在承受热冲击时发生分离，降低热障涂层的可靠性。而使用未烧结粉体可在不影响涂层质量的基础上提高涂层中纳米区域的含量，并可较相同条件下烧结粉体沉积涂层获得约10％的孔隙率提升，进而使涂层表现出良好的隔热性能与较低的热导率。另外，针对未烧结粉体的沉积问题，通过改进喷枪以及调节造粒时粘结剂的添加比例，将粉体沉积效率提高到了(20.2-40.6)％。同时发现未烧结粉体的高孔隙率特征使其对射流温度变化的敏感度降低，在连续改变电流时可形成具有相近纳米区域含量但性能不同的涂层，便于对涂层结构的优化和控制，这是使用烧结粉体不能实现的。
　　在纳米涂层结构研究的基础上，选取3 mol％与5 mol％ Y2O3-ZrO2未烧结纳米团聚粉体制备涂层，对比分析两种涂层的抗高温烧结与抗热震性能。试验结果表明，3 mol％与5 mol％ Y2O3-ZrO2纳米涂层在1400℃下烧结至100 h时，均能够保持较高的孔隙率和抗裂纹扩展能力，其中3mol％Y2O3-ZrO2涂层烧结硬化速率低于5mol％ Y2O3-ZrO2涂层，且具有较长的热循环寿命。因此，当形成纳米涂层时，YSZ构成由5 mol％ Y2O3-ZrO2调整为3 mol％ Y2O3-ZrO2更有利于热障涂层性能提升。
　　利用实验室自主研发的低压等离子喷涂系统，在5000 Pa下对未烧结粉体进行喷涂试验。研究结果表明，低压下等离子射流性质的改变使未烧结粉体在350A电流下沉积后形成了一种新型纳米涂层结构。显微硬度Weibull曲线分析结果证实该涂层结构仍具有“bimodal structure”特征，但在形貌上却呈现近乎全部细等轴晶结构。另外，未烧结粉体的松装密度会影响涂层结构，相同条件下低松装密度(0.95 g/cm3)的粉体形成的涂层等轴晶的尺寸更细小。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 前言

1．2 热障涂层的构成

1．3 隔热陶瓷涂层的结构与发展

1．3．1 层状结构陶瓷涂层

1．3．2 柱状晶结构陶瓷涂层

1．3．3 纳米结构陶瓷涂层

1．4 纳米结构热障涂层研究中存在的问题

1．5 本文研究内容

第2章 常压下高纳米区域含量YSZ涂层制备及使用未烧结粉体的优势

2．1 引言

2．2 试验材料与方法

2．2．1 试验材料

2．2．2 微观结构表征

2．2．3 涂层性能测试

2．3 试验结果与讨论

2．3．1 降低射流温度提高纳米区域含量对热障涂层性能的影响

2．3．2 大气等离子喷涂未烧结纳米YSZ团聚体颗粒

2．3．3 未烧结粉体沉积效率改进

2．3．4 未烧结粉体沉积涂层结构与性能研究

2．3．5 未烧结粉体在涂层结构调控上的优势

2．4 本章小结

第3章 3mol％和5mol％Y2O3-ZrO2纳米涂层高温烧结与热震性能研究

3．1 引言

3．2 试验材料与方法

3．2．1 试验材料

3．2．2 涂层的制备

3．2．3 微观结构表征

3．2．4 高温热处理与热震试验

3．3 试验结果与讨论

3．3．1 初始纳米涂层的微观结构

3．3．2 烧结过程中涂层微观结构的演变

3．3．3 烧结过程中的物相稳定性

3．3．4 硬度与弹性模量随涂层孔隙率的变化

3．3．5 涂层抗热震性能

3．4 本章小结

第4章 低压下喷涂未烧结纳米YSZ粉体涂层结构与性能研究

4．1 引言

4．2 试验方法

4．2．1 粉体造粒

4．2．2 涂层制备

4．2．3 涂层微观结构表征

4．2．4 涂层性能测试

4．3 试验结果与讨论

4．3．1 微观结构

4．3．2 物相构成

4．3．3 显微硬度

4．3．4 弹性模量

4．3．5 断裂韧性

4．3．6 涂层结构形成的讨论

4．4 本章小结

第5章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

攻读学位期间公开发表论文

致谢

作者简介