Al-Ti-YSZ热障涂层制备及其抗CMAS腐蚀机理研究

作     者：袁珂 

作者单位：湘潭大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨丽;张帆

授予年度：2019年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：热障涂层 CMAS 钙长石 抗CMAS腐蚀机理 

摘      要：热障涂层广泛应用于航空发动机热端部件,降低基底表面温度,从而延长器件寿命、降低燃油消耗以提高发动机效率。然而航空发动机在服役过程中,不可避免的摄入空气中的钙镁铝硅氧化物颗粒(CMAS),这些颗粒在高温下熔融附着在热障涂层表面,并沿孔隙和微裂纹等渗入涂层内部,导致涂层的成分、结构和性能等退化,最终涂层剥落失效。目前应用最广泛的7YSZ热障涂层材料极易遭到CMAS的腐蚀破坏,因此,有必要研究如何提高热障涂层抗CMAS腐蚀能力,同时不损害涂层本身其他优异性能。基于此,本文通过AlO和TiO对YSZ自身进行改性,对涂层成分设计、力学性能和抗CMAS腐蚀机理进行系统的研究。主要研究内容和结果如下:(1)设计添加不同AlO和TiO含量的YSZ涂层材料成分,研究材料的相组成、CMAS高温腐蚀情况以及改性前后材料的热学性能。结果表明,CMAS腐蚀破坏造成7YSZ微观结构分层,并发生t-m相变。通过AlO和TiO改性后,随着AlO含量的增加,CMAS的渗透深度减小,并发生化学反应生成钙长石。然而当YSZ中添加的AlO含量超过10 mol%后,在1300°C时会析出AlO二次相,导致改性YSZ的热导率随着AlO含量的增加而上升。综合CMAS腐蚀破坏情况以及热学性能,选定10 mol%AlO和5 mol%TiO改性YSZ作为涂层材料提高抗CMAS腐蚀能力。(2)通过APS方法制备10 mol%AlO和5 mol%TiO改性YSZ(10A5TYSZ)以及7YSZ热障涂层,并对其相稳定性和力学性能进行表征。结果表明涂层原始样品和高温热处理后都保持非转变型t-ZrO相,10A5TYSZ涂层没有AlO和TiO析出。且涂层中加入了AlO和TiO后,其杨氏模量、硬度和断裂韧性均有轻微的增加。(3)研究了7YSZ和10A5TYSZ涂层与CMAS的高温腐蚀反应,通过微观结构、渗透深度和化学反应产物表征探讨10A5TYSZ抗CMAS腐蚀机理。结果表明,CMAS在高温下能快速渗透整个7YSZ涂层,造成涂层微观结构改变,诱导发生t-m相变。但CMAS渗透进入10A5TYSZ涂层的速度较7YSZ明显减慢,涂层的破坏程度降低,这主要是由于CMAS腐蚀过程中,10A5TYSZ涂层中固溶的Al和Ti析出进入CMAS中,Al含量的上升使得CMAS从难结晶的伪硅灰石相区进入易结晶的钙长石相区,TiO作为形核剂进一步加速CMAS的结晶,钙长石能增加CMAS的熔点并堵塞入渗途径,从而达到缓解CMAS腐蚀破坏的效果。