基于第一性原理研究纳米YSZ表面活性及其与CMAS的润湿机制

作     者：李冰天 

作者单位：南昌航空大学 

学位级别：硕士

导师姓名：郑海忠

授予年度：2019年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 082503[工学-航空宇航制造工程] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 0702[理学-物理学] 

主      题：YSZ热障涂层 CMAS 第一性原理 纳米微表面 润湿性 微观机制 

摘      要：氧化钇部分稳定的氧化锆(Yttria-stabilized Zirconia,简称YSZ)广泛用作航空发动机热障涂层(thermal barrier coatings,TBCs)材料。然而,外界环境带入的沉积物(主要成分为CaO、MgO、AlO、SiO,简称CMAS)会严重腐蚀热障涂层,引起热障涂层服役寿命大幅度下降。因此如何提高热障涂层表面抗CMAS腐蚀能力是提升其使用寿命的关键技术之一。本文采用密度泛函理论(Density functional theory,简称DFT)计算方法,系统研究了熔融CMAS在YSZ块体表面和纳米微表面的润湿能力,通过粘附功、表面张力、黏度等参数探索了CMAS/YSZ的润湿性机制,获得具有疏熔融CMAS的YSZ表面,从而提高YSZ抗CMAS腐蚀能力,得到以下结论:(1)通过研究纳米YSZ晶体的表面活性发现,YSZ块体表面与纳米微表面的表面能变化趋势为:E[(010×010)]E[(111×010)]E[(101×010)]E[(111×101)]E[(101×101)]E(111)块体表面E(101)块体表面E(010)块体表面,其中,纳米微表面模型E[(010)×(010)](4×4))表面能最大达到6.7667Jm,是块体表面YSZ(111)最大表面能1.3964 Jm的5倍,从而纳米微表面化学活性强于块体表面。电子结构分析显示,纳米微表面YSZ[(010×010)]的高活性来源于其更高的费米能级能量-1.8403eV,更宽的赝能隙,以及最大的表面原子键长Δd(O-Zr)(0.03?)和表面原子电荷ΔQ(O-Zr)(0.26)。同时发现了YSZ纳米微表面与块体表面表面能存在一定的函数关系,即Y=N×B,其中B是两个组成块体表面表面能的平均值,N是一个正整数,Y为纳米微表面的表面能。(2)CMAS熔体在YSZ块体表面的润湿动力学模拟发现,接触角变化趋势为YSZ(110)YSZ(001)YSZ(111)YSZ(101)YSZ(010),表明CMAS熔体在YSZ(110)的润湿性最好,在YSZ(010)表面的润湿性最差。对其表面张力和黏度计算,发现CMAS/YSZ(110)的表面张力(γ=0.27 Jm)小于CMAS/YSZ(010)(γ=0.37 Jm),黏度系数值却非常接近。从原子角度考察CMAS/YSZ(110)与CMAS/YSZ(010)润湿性差异本质,发现在高温环境下,疏熔融CMAS性的CMAS/YSZ(010)界面Ca、Mg、Al、Si、O离子分布没有明显的变化,而亲熔融CMAS性的CMAS/YSZ(110)界面离子,特别是Mg、Si和O离子重新分布,其中Mg离子渗透到YSZ表层,而Si离子和O离子更接近YSZ(110)表面。CMAS/YSZ界面离子分布的差异源于YSZ(110)表面比YSZ(010)表面具有更多的氧原子,从而表现出更高的活性。(3)CMAS熔体在YSZ纳米微表面的润湿动力学模拟发现,接触角变化趋势为YSZ[(101×101)]YSZ[(010×101)]YSZ[(010×010)],粘附功的变化趋势为:YSZ[(101×101)]YSZ[(010×101)]YSZ[(010×010)],表明熔融CMAS在YSZ[(010×010)]的润湿性最好,在YSZ[(101×101)]表面的润湿性最差,但CMAS在YSZ纳米微表面的润湿角都小于38°±2°,表现出良好的亲熔融CMAS性。从原子角度考察熔融CMAS在YSZ纳米微表面与熔融CMAS在YSZ块体表面润湿性的差异,发现在高温环境下,CMAS/YSZ界面中Y元素从YSZ中析出,向CMAS熔体中偏聚;而CMAS中Ca、Si两元素向YSZ中偏聚,同时CMAS/YSZ接触的高活性位点完全熔化,导致CMAS在YSZ纳米微表面相对其在YSZ块体表面表现出更好的润湿性。