CMAS对热障涂层影响的研究

摘要

热障涂层(thermalbarriercoatings，TBCs)具有隔热性能优异、抗腐蚀等特点，已在飞机涡轮发动机、燃气轮机等高温工作条件的部件中获得广泛应用，然而在工作时常常受到玻璃态物质（CaO-MgO-Al2O3-SiO2，CMAS）的影响。本文主要研究了高温下CMAS导致氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)热障涂层开裂以及失效的机制，重点研究了CMAS与YSZ反应作用机理。
　　为了更好地描述CMAS对TBCs应力场的影响，本文采用ANSYS有限元的方法，对应力场及位移场进行模拟分析，模拟结果表明，CMAS在高温下由固态变为熔融状态，其进入TBCs的孔隙中，当温度骤降后，CMAS凝固到缝隙中，由于热膨胀系数的不同，导致涂层中存在巨大的拉应力，当裂纹为非均匀分布时其应力场分布不均匀，同时产生较大的剪切应力，当应力达到材料屈服极限时将产生裂纹，同时将所得结果和试验结果相比较，结果也显示二者结果相似。
　　针对CMAS侵蚀导致YSZ热障涂层失效的研究，分别采用涂敷和混合烧结两种方式展现CMAS与YSZ的反应作用，涂敷方式进行了YSZ基体材料的不同、基体烧结温度的不同、CMAS成分的不同和整体烧结温度的不同四个方面的研究，混合烧结方式进行了烧结温度不同和CMAS所占比例不同两个方面的研究，最终采用扫面电镜、能谱仪和X射线衍射等技术进行分析测试，从而对CMAS致使YSZ开裂剥落的作用关系进行了研究。
　　实验结果表明，CMAS高温下融化进入YSZ晶粒间的空隙中，由于热膨胀系数、比热容、泊松比等物理参数的差异产生热应力，在冷却后会引起YSZ开裂。YSZ不仅会由CMAS的热机械作用发生断裂，而且两者会在YSZ表面形成一个化学反应区，裂纹也主要产生在这个区域。制备工艺相同，YSZ中Y元素的含量不同时，在CMAS的作用下都会造成YSZ基体中出现贫Y区域，此区域会加速YSZ的劣化，产生相变，相变导致体积的变化并引起剪切应力增大，导致YSZ开裂;1500℃烧结的基体要比1300℃烧结的YSZ致密，CMAS进入YSZ量就少，对于YSZ的损伤较小;实际沙尘要比配制CMAS对YSZ的侵蚀更为明显，由于两者的主要成分相似，所以发生的反应作用机制也相似;CMAS与YSZ发生相互作用，1350℃要比1240℃的反应剧烈，温度越高，发生相变以及产生热化学作用的可能性就越大，CMAS对YSZ的侵蚀也越严重。CMAS在高温下会与YSZ产生化学反应，主要是与CMAS中Si和Ca两元素的扩散有关，与YSZ中的ZrO2生成Ca-O-Zr化合物以及Si-O-Zr化合物，会造成元素扩散，形成某种析出与溶解机制，导致YSZ失效。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 热障涂层简介

1．3 热障涂层结构

1．3．1 双层结构

1．3．2 功能梯度结构

1．3．3 复合结构

1．3．4 厚涂层结构

1．3．5 纳米结构

1．4 热障涂层制备工艺

1．4．1 等离子喷涂法

1．4．2 电子束物理气相沉积

1．4．3 激光熔敷技术

1．4．4 自蔓延高温燃烧合成技术

1．5 CMAS对热障涂层的影响

1．5．1 CMAS对TBC影响研究的意义

1．5．2 CMAS对热障涂层影响的研究现状

第2章 研究内容及实验方法

2．1 研究主要内容

2．2 关键步骤

2．3 实验方法及原理

2．3．1 数值模拟

2．3．2 CMAS粉末的制备

2．3．2 热障涂层(TBCs)的制备

2．3．3 CMAS在YSZ上的涂敷

2．3．4 CMAS与YSZ混合烧结

2．3．5 性能测试

2．4 本章小结

第3章 CMAS对TBCs影响的数值模拟分析

3．1 ANSYS有限元模型的建立

3．1．1 创建几何模型

3．1．2 材料参数

3．1．3 施加边界条件

3．2 应力场模拟与试验结果分析

3．2．1 应力场的变化

3．2．2 位移的变化

3．2．2 实验验证

3．3 本章小结

第4章 CMAS侵蚀YSZ热障涂层分析

4．1 CMAS涂敷在YSZ基体上的结果分析

4．1．1 形貌分析

4．1．2 反应区域的相分析

4．2 CMAS与YSZ混合烧结的结果分析

4．2．1 不同CMAS百分比含量的分析

4．2．2 不同烧结温度的分析

4．3 本章小结

第5章 结论与展望

1 实验结论

2 未来工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

致谢