激光熔覆制备高熵陶瓷热障涂层研究

作     者：冯晓龙 

作者单位：华北电力大学(北京) 

学位级别：硕士

导师姓名：张东博

授予年度：2022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）] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：热障涂层 高熵氧化物 激光熔覆 CMAS 相稳定性 

摘      要：随着燃气轮机进口温度的升高,高温合金难以满足日益严苛服役需求,因此提供隔热作用的热障涂层（TBCs）在叶片和燃烧室等热端部件得到了广泛的应用。传统的热障涂层由MCrAlY（M=Ni和/或Co）粘结层和氧化钇稳定氧化锆（YSZ）陶瓷顶层组成。由于使用温度的提高,传统的YSZ陶瓷材料已无法满足先进燃气轮机对热端部件的防护需求,研究和开发新型陶瓷顶层材料刻不容缓。自2015年高熵陶瓷问世以来,高熵氧化物陶瓷因其导热系数低和高温稳定性好而备受关注,成为了热障涂层的潜在应用材料。为了获得新型高性能热障涂层材料,本研究以A2B2O7（烧绿石结构）高熵氧化物陶瓷作为热障涂层陶瓷顶层材料进行设计和开展研究。对La2（Ce0.2Hf0.2Zr0.2Ti0.2Sn0.2）2O7氧化物高熵陶瓷进行了优化研究,并且针对其缺点进行了改进,新设计合成了La2（Zr0.2Ti0.2Yb0.2Y0.2Nb0.2）2O7烧绿石相高熵氧化物陶瓷。针对La2（Zr0.2Ti0.2Yb0.2Y0.2Nb0.2）2O7性能进行测试,得到其块材孔隙率为36.89%,常温下测得热导率达到了 0.45 W·m-1·K-1,经修正致密的La2（Zr0.2Ti0.2Yb0.2Y0.2Nb0.2）2O7陶瓷常温下热导率也达到了0.8855 W·m-1·K-1。经测试在高孔隙率的状态下其热膨胀系数在1000℃为9.3741×10-6K-1。经DSC测试室温到1000℃没有明显的吸放热峰出现,热稳定性能良好。为了克服高熵氧化物的韧性差与热膨胀系数低的缺点,设计了双陶瓷层结构热障涂层,利用激光熔覆的方法制备了高熵氧化物/YSZ双层涂层样品。采用X射线衍射（XRD）对涂层进行物相分析,结果表明,经激光熔覆后其结构转变为缺陷萤石结构。采用显微硬度仪对两种高熵氧化物力学性能进行测试,其维氏硬度结果分别为 HV961.5和 HV927.2。采用纳米压痕仪对La2（Ce0.2Hf0.2Zr0.2Ti0.2Sn0.2）207/YSZ样品进行测试,经拟合计算其弹性模量为192.72GPa。利用压痕法测得其断裂韧性为KIc=3.2736MPa·m1/2,整体性能良好。对两个涂层样品在1050℃下进行了热循环实验测试了循环寿命以及高温稳定性,其中La2（Ce0.2Hf0.2Zr0.2Ti0.2Sn0.2）2O7涂层失效次数为60次,由于低熔沸点的SnO2发生挥发析出,致使高熵组分发生了一定的分解。La2（Zr0.2Ti0.2Yb0.2Y0.2Nb0.2）2O7在热循环70次后状态仍然良好,无相变发生,循环寿命表现也很优异。结果表明:采用激光熔覆技术制备高熵陶瓷的双陶瓷层结构热障涂层具有较佳的性能。CaO-MgO-Al2O3-SiO2（CMAS）腐蚀是导致涂层失效的重要环境因素,对La2（Ce0.2Hf0.2Zr0.2Ti0.2Sn0.2）2O7的CMAS腐蚀行为进行了分析,由于高熵氧化物疏松多孔的结构,难以抵挡CMAS组分的渗透,结果表明CMAS能够腐蚀La2（Zr0.2Ce0.2Hf0.2Sn0.2Ti0.2）2O7高熵氧化物材料,高温腐蚀后生成了磷灰石相Ca2La8（SiO4）6O2,同时还存在CMAS分解产生的 Ca（AlSi）2O4、Mg3Al2Si3O12 等组分。对高熵氧化物涂层进行CMAS腐蚀发现,在涂层质量较好的情况下,激光熔覆涂层由于其致密的结构,可以显著的阻挡CMAS组分的渗入。由于La2（Ce0.2Hf0.2Zr0.2Ti0.2Sn0.2）2O7涂层热处理下会发分解,使得涂层表面产生了大量纵向裂纹,因此在抵抗CMAS腐蚀方面表现不佳。