稀土六铝酸盐热障涂层抗CMAS腐蚀机理及方法研究

作     者：孙铱尉 

作者单位：暨南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈小龙

授予年度：2021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 高温腐蚀 稀土六铝酸盐 YSZ CMAS 激光重熔 

摘      要：热障涂层(Thermal Barrier Coatings,TBCs)广泛应用于航空发动机燃烧室、涡轮叶片等热端部件表面,提供隔热和腐蚀防护。当前,航空发动机热端部件表面的实际工作温度随着涡轮进口温度不断提高。当热端部件表面工作温度超过1260 ℃时,从空气中吸入的粉尘、火山灰、砂砾等固体颗粒(主要成分为CaO-MgO-AlO-SiO,CMAS)会熔化形成液态玻璃,附着在热障涂层表面。CMAS与热障陶瓷涂层发生液-固反应,使陶瓷涂层溶解在液态CMAS中,加剧涂层的降解和剥落失效,对航空发动机服役性能和寿命造成重大损害。因此,研究发展抗CMAS腐蚀的TBC新材料和新方法,是当前高温热障涂层研究的重要方向之一。本文的主要研究对象是热机械性能优异的稀土六铝酸盐新型高温热障涂层材料La MgAlO(LaMA)和GdMgAlO(GdMA)。首先,我们对比研究了大气等离子喷涂(Atmospheric Plasma Spraying,APS)YSZ(6～8 wt.%YO stabilized zirconica)、LaMA和GdMA涂层在1350 ℃的CMAS腐蚀降解机理。其次,通过激光重熔,我们在APS LaMA和YSZ涂层表面原位构建了致密阻挡层,并对比研究了它们在1350 ℃的抗CMAS渗透腐蚀机理。结果发现,1350 ℃下,熔融CMAS均匀覆盖在YSZ涂层表面。反应1 h后,熔融CMAS已完全渗透～1 mm厚的YSZ涂层。随着反应时间延长到12-48 h,YSZ涂层发生越来越严重的亚稳态四方相(t’)向单斜相(m)的转变。生成的球形单斜相Zr O颗粒进一步加剧了液态CMAS向里层YSZ涂层的渗透,将严重降低涂层的服役寿命。然而,1350 ℃下,熔融CMAS没有均匀覆盖在APS LaMA和GdMA涂层表面,而是呈现分散性的局部分布。较大的润湿角有利于阻挡液态CMAS在LaMA和GdMA涂层表面的铺展以及向涂层内部的渗透。由于APS LaMA涂层孔隙率较高,1-48 h反应时间内,CMAS腐蚀降解的产物主要为多孔的CaAlSiO钙长石表层及较薄的MgAlO里层。由于液态CMAS分散在多孔涂层中,造成溶解的La浓度低较,腐蚀后的LaMA涂层表面和截面均没有形成CaLa(SiO)O磷灰石相,只有富La的中间相。GdMA涂层在1350 ℃下腐蚀1-48 h后,反应产物呈层状分布,最顶层为CaAlSiO钙长石相,第二层为MgAlO相,第三层为CaGd(SiO)O磷灰石。最底层为未被腐蚀的GdMA涂层。腐蚀产物能有效愈合GdMA涂层中大量存在的纵向显微裂纹,有效阻挡液相CMAS的渗透,提高涂层高温服役性能。激光重熔以后,APS YSZ和LaMA涂层表面原位形成一层致密阻挡层。由于重熔过程中较大的热应力,致密阻挡层有一定数量的穿透性垂直裂纹。在1350 ℃,熔融CMAS沿着垂直裂纹渗透与致密阻挡层下方的APS YSZ层发生快速的溶解-析出降解反应,形成大量孔洞和裂纹,严重破坏APS YSZ涂层的原本的层状结构,并使致密阻挡层剥离。由于LaMA致密阻挡层内穿透性垂直裂纹数量相对较少,绝大部分CMAS被阻挡在试样表面发生持续的溶解-析出反应,腐蚀产物CaAlSiO钙长石,MgAlO尖晶石,CaLa(SiO)O磷灰石形成于LaMA致密阻挡层表面。本论文研究表明,APS GdMA涂层具有很好的抗CMAS腐蚀性能,而激光重熔能有效地在稀土六铝酸盐涂层表面构筑致密阻挡层,显著提高该类涂层的高温抗CMAS腐蚀性能。本研究对研制航空发动机抗CMAS腐蚀新型高温热障涂层具有重要指导意义。