液相等离子喷涂ZrO2基热障涂层的制备及性能

摘要

随着航空工业的飞速发展，航空发动机向着高流量比、高推重比、高进口温度方向发展，热障涂层的服役环境更加苛刻。经典的 YSZ涂层由于高温相变和烧结，已经很难满足要求，而新型热障涂层材料以及纳米结构涂层的优异性能得到了广泛的关注。本文对溶液前驱体等离子喷涂（Solution Precursor Plasma Spray, SPPS）制备8YSZ热障涂层的工艺、沉积机理以及稀土掺杂改性氧化锆涂层的相稳定性和热物理性能进行研究。
　　采用表面张力仪、品氏粘度计、TG-DSC研究了8YSZ溶液前驱体的物理性质，利用XRD、SEM分别对8YSZ涂层的相组成和显微形貌进行表征，利用显微硬度计测量了8YSZ涂层的力学性能，通过田口实验获得了优化的SPPS喷涂8YSZ涂层工艺。使用优化的 SPPS喷涂工艺制备了8YSZ、Zr0.92(Yb0.04Gd0.04)O1.96(YGSZ)、Zr0.92(Yb0.04Y0.04)O1.96(YYSZ)三种涂层，对不同时间热处理后的涂层采用XRD、SEM分别研究了相组成及显微结构，采用高温热膨胀仪和激光导热仪测量了涂层的热膨胀性能和热扩散系数。
　　通过田口实验获得了SPPS8YSZ涂层的最优工艺：浓度2.35 mol/L，氢气流量12 slpm，送液量28 ml/min。通过改变雾化压力、喷枪步进、喷涂距离、基体预热温度等参数研究了8YSZ涂层的沉积机理。在雾化压力为0.13 MPa，喷枪步进为1-2 mm，喷涂距离为40 mm，基体预热温度为300℃以上时制备出的涂层相对均匀致密，孔隙和未熔融的颗粒较少且均匀，沉积效率较高，基体上的未热解前驱体基本消失。
　　通过对8YSZ、YGSZ和YYSZ三种涂层在1400℃经不同时间热处理后的分析发现，与8YSZ和YGSZ相比YYSZ具有较好的相稳定性。随着热处理时间的延长，涂层越来越致密化，孔隙率减小。200 h热处理后，8YSZ的孔隙率由制备态的23%减少至13%，YGSZ则由21%减少至12%，YYSZ由19%减少至13%，同时三种涂层分别在热处理50 h、100 h和200 h后由于氧化锆相变导致涂层的孔隙率略微增大。涂层的热膨胀系数(Thermal Expansion Coefficient, TEC)曲线表明，热处理在20 h以下时三种涂层样品热膨胀均无明显变化，当热处理时间增加后，涂层的 TEC曲线出现明显的拐点，YYSZ涂层相比YGSZ和8YSZ涂层拐点温度较低为580℃。涂层的抗烧结曲线表明，YYSZ涂层和YGSZ涂层的抗烧结性能明显优于8YSZ涂层的抗烧结性能。涂层的热导率结果表明，制备态YGSZ和YYSZ的热导率均低于8YSZ的热导率，当热处理时达200 h后，与8YSZ相比YYSZ和YGSZ的热导率降低约60%， YYSZ涂层的热导率最低，仅为1.38-1.61 W·m-1K-1。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1引言

1.2热障涂层材料

1.3热障涂层制备方法

1.4本文的研究内容及意义

第二章 实验过程和研究方法

2.1实验原料

2.2溶液前驱体的配制

2.3涂层的制备

2.4溶液前驱体和涂层的性能表征

第三章 SPPS 8YSZ涂层的制备及沉积机理研究

3.1 8YSZ溶液前驱体的物理性能

3.2 8YSZ涂层的显微形貌

3.3 8YSZ涂层的相组成

3.4 SPPS工艺参数对8YSZ涂层显微硬度的影响

3.5 8YSZ涂层沉积机理的探究

3.6本章小结

第四章 双稀土改性氧化锆涂层相稳定性及热物理性能研究

4.1热处理对双稀土改性氧化锆涂层的相组成影响

4.2热处理对双稀土改性氧化锆涂层截面显微形貌的影响

4.3热处理对双稀土改性氧化锆涂层热膨胀性能的影响

4.4双稀土改性氧化锆涂层抗烧结性能分析

4.5热处理对双稀土改性氧化锆涂层热导率性能的影响

4.6本章小结

结论

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文

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