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《中南大学》 2011年
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二元稀土氧化物复合稳定氧化锆热障涂层材料的制备及性能研究

刘怀菲  
【摘要】:传统6~8wt.%Y203-Zr02 (YSZ)热障涂层的相变和烧结(1200℃),限制了其在更高温度的使用。因此,为满足高推重比航空发动机对热障涂层材料的性能要求,研制在1200℃以上具有相稳定性、抗烧结和低热导率的新型热障涂层材料具有极其重要的意义。 采用化学共沉淀-煅烧法制备了(La2O3, Y2O3)-ZrO2 (LaYSZ)、(Yb2O3, Y2O3)-ZrO2 (YbYSZ)、(Sc2O3, Y2O3)-ZrO2 (ScYSZ)三种体系稀土氧化物复合稳定氧化锆陶瓷材料,并对其高温相稳定性和热物理性能进行了研究,分析和讨论这三种体系作为高温热障涂层材料应用的可能性;揭示二元稀土氧化物稳定氧化锆的晶体学特征、稳定剂含量对相稳定性的影响规律以及多元体系的相变机理;采用等离子喷涂(APS)技术制备了ScYSZ体系热障涂层,分析了涂层的相稳定性、相变动力学特征以及掺杂原子特征(化合价、原子量、离子半径)对热导率的影响机制,并对涂层在高温氧化、腐蚀、热冲击环境下的组织结构演变和失效机理进行了研究,为新型热障涂层材料的开发和应用提供理论依据。 较系统地研究了LaYSZ, YbYSZ, ScYSZ体系陶瓷粉末的相稳定性和热物理性能。与YSZ陶瓷材料相比,1.OLaYSZ在1400℃具有较好的相稳定性,且La2O3的加入能有效抑制陶瓷坯体烧结。3.5YbYSZ、(5.3~7.1) ScYSZ在1400℃、1500℃均具有较好的相稳定性、抗烧结性以及较低的热导率,其中ScYSZ体系中非平衡四方相(t')的稳定区域较大,且Sc2O3的加入对抑制烧结和降低热导率效果最为显著。因此,三种体系中,ScYSZ体系为TBCs材料最佳选择。 三种多元体系陶瓷粉末的晶体学特征表明稳定剂含量与热处理温度是决定t'相稳定性的重要因素。建立了多元体系四方度(c/(?)a)与稳定剂含量的定量关系,三种体系的四方度均随稳定剂含量的增加而线性减小。高稳定剂区域易于t'相和立方相(c)稳定,而低稳定剂区域易于平衡四方相(t)和单斜相(m)形成。ScYSZ体系粉末的相变动力学特征表明t'相向t相和c相的转变是与温度和时间密切相关的扩散型相变,其相变速率取决于掺杂原子的扩散速率。高温热处理过程中掺杂原子扩散引起的稳定剂分布不均是导致t'相稳定性降低的直接原因。 采用Avrami方程建立了ScYSZ陶瓷粉末和涂层相变量与时间的关系。热处理温度越高,涂层的相变孕育期愈小;对于同种成分材料,在相同的热处理条件下,涂层的相变孕育期明显大于粉末的相变孕育期,表明涂层微观组织结构、应力、缺陷、晶格畸变等对相变有着重要的影响。6.4Sc0.5YSZ和7.1Sc0.53YSZ涂层分别在1400℃热处理550h和1500℃热处理300h均未发生相变。6.4Sc0.5YSZ和7.1Sc0.53YSZ具有优良的高温相稳定性。 根据声子导热机制和缺陷化学原理,分析了掺杂原子特征及掺杂量对热导率的影响机制。对于低价阳离子掺杂稳定氧化锆体系,氧空位和置换原子缺陷均可加强声子散射,降低声子平均自由程,从而降低热导率。ScYSZ体系中Sc与Zr较大的原子量和离子半径差异对降低热导率贡献较大;增加ScYSZ体系中Sc2O3的含量使氧空位数量增多也可有效降低热导率。涂层中相组成、晶界、裂纹和孔隙对热导率有着重要影响。与8YSZ涂层相比,ScYSZ涂层的高相稳定性和抗烧结性是其具有低热导率的重要原因。 研究了ScYSZ(TC)/NiCoCrAlTaY (BC)双层结构热障涂层在高温氧化、腐蚀和冷热循环载荷条件下的失效机理。高温氧化试验结果表明BC层的氧化导致TC/BC界面形成热生长氧化物(TGO)层,TGO层的生长应力以及TGO与TC, BC热膨胀系数不匹配产生的热应力是导致涂层氧化失效的主要原因。TGO层的生长应力主要是由大体积氧化物(Cr,Al)2O3+(Co,Ni)(Cr,Al)2O4+NiO(CSN)的形成和生长而产生的;当TC/BC界面有连续TGO层生成时,TGO与TC、BC的热失配而产生的热应力开始作用。采用ANSYS软件对TC/TGO/BC涂层及界面的热应力分布进行了模拟,结果表明热失配导致TGO层产生较大的径向压应力,从而对涂层造成压缩性破坏。TC/TGO界面压应力值最大且白试样中心向边缘逐渐减小。随着氧化时间的增加,涂层最终以TC层中心鼓起和剥离的方式失效,剥离面为TC/TGO界面。涂层高温腐蚀和热震试验结果表明,与传统的YSZ涂层相比较,ScYSZ涂层具有更好的抗V、S腐蚀能力及抗热震性能,但在腐蚀剂作用下,粘结层的氧化速率被大大提高;在长期冷热循环载荷条件下,TC/BC界面有较大厚度的TGO层生成,粘结层的氧化是导致涂层热震失效的主要原因。因此,较理想的涂层是在满足抗热震的条件下,应尽量提高涂层的致密度以及厚度。 ScYSZ体系热障涂层在1400℃和1500℃具有稳定相组织结构,较YSZ具有更优异的抗烧结性、抗热震性、耐熔盐腐蚀性能以及更低的热导率,在作为超高温(≥1400℃)热防护涂层方面具有极大的应用前景。
【学位授予单位】:中南大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TG174.4

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