基于MD和DFT方法研究YSZ晶粒生长及其抗CMAS腐蚀机制

作     者：张永勤 

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：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：晶粒生长 YSZ热障涂层 分子动力学 第一性原理 

摘      要：氧化钇部分稳定氧化锆(Yttria-stabilized Zirconia,YSZ)是目前航空领域使用最多的热障涂层材料之一,但是高温时易被一种主要成分为CaO、MgO、AlO、SiO(CMAS)的高温熔盐腐蚀,因此如何提高YSZ抗CMAS腐蚀性能成为其应用过程中急需解决的关键问题。本文采用分子动力学和第一性原理相结合的方法,探索了不同晶体取向的YSZ晶核界面形成能力,阐述了YSZ不同晶粒形貌的生长能力差异机制;通过设计不同成分的CMAS模拟实验,基于接触角、扩散系数、吸附功、态密度等参数计算,从扩散动力学和电子结构两方面揭示了CMAS腐蚀YSZ的元素影响机制,得到以下结论:(1)YSZ的晶粒生长速率随温度增加呈先增加后下降的趋势,生长速率和环境温度的关系符合Wilson-Frenkel模型。对比YSZ(010)、YSZ(001)、YSZ(110)和YSZ(111)四种晶核界面的生长演变规律,发现在1600K～3000K的环境温度范围内,2600K(YSZ的熔点2953K)是各晶核界面的最佳生长温度值。虽然生长速率变化趋势为v YSZ(001))v YSZ(110))v YSZ(010))v YSZ(111)),但是它们的具体数值相差不大,这种各晶面生长速率相近的趋势表明YSZ较容易形成等轴晶。晶核生长界面形貌分析,发现晶核界面生长速率最快的YSZ(001)(5.4 m*s)生长界面呈锯齿状,比YSZ(010)、YSZ(110)和YSZ(111)的平面状生长界面具有更好动力学性能。YSZ(001)生长速率最快,为把YSZ热障涂层制备成抗CMAS腐蚀性能更好的柱状晶提供了方便。(2)通过计算CMAS各成分CaO、MgO、AlO和SiO熔滴在YSZ(010)晶粒表面的润湿动力学过程,发现它们扩散过程呈各向同性特征,并都表现出润湿特性。四种成分的熔滴平衡润湿角分别为20.3°、26.2°、40.2°和44.6°。润湿性最好的CaO熔滴扩散面积值(5059(?))是润湿性最差的SiO熔滴(2275(?))的2.2倍,这是由于CaO熔滴的Ca离子平均扩散系数D最大。各成分熔滴与YSZ(010)晶粒表面的相互作用能变化趋势为(6))23)2),表明CaO熔滴的润湿性最好除了它更容易扩散外,它与YSZ(010)晶粒表面吸附性(E=-422.6e V)也最强。CaO/YSZ(010)润湿形貌分析发现,高温环境下YSZ基体表面Zr原子与Ca原子存在互溶现象。因此各成分影响YSZ抗CMAS腐蚀性能的主要影响因素为CaO。(3)通过设计一系列成分含量CMAS腐蚀YSZ(010)晶面模拟实验,发现接触角θ最小的CMAS成分含量为CaMgAlSiO,即CaO含量最多,此时的接触角为68.0°,润湿性最差的是CaMgAlSiO(θ=151.5°),表明CaO是影响CMAS润湿YSZ(010)晶面的主要因素。同时,CaMgAlSiO/YSZ(010)的吸附功也最大。电子态密度计算结果表明,CMAS各元素中Ca原子在反键区具有最大的反键峰强度以及最多的自由电子数,分别为5.9902 electrons/e V和7.3693electron/e V,同时反键峰的位置与YSZ中Zr原子的反键峰重合度较好,表明Ca与Zr之间较易发生化学反应,产生互溶现象。此外,相比较其他成分的CMAS润湿模型,CaMgAlSiO/YSZ(010)界面模型在-50 e V附近和-28 e V成键峰更强,同时表现出劈裂成键峰,表明CaMgAlSiO/YSZ(010)的稳定性更高。