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Sc掺杂Gd2Zr2O7热障涂层的成分设计和高温稳定性研究

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Sc掺杂Gd2Zr2O7热障涂层的成分设计和高温稳定性研究

作者：李博文天津大学

学位级别：硕士

传统的YO部分稳定ZrO(YSZ)热障涂层(thermal barrier coating,TBC)存在相稳定性差、抗烧结性能差以及易受CMAS(Ca O-Mg O-AlO-Si O)腐蚀等问题,目前已经无法满足航空发动机的发展要求,亟需开发新型TBC材料。锆酸钆GdZrO(GZO)是一种很有... 详细信息

传统的YO部分稳定ZrO(YSZ)热障涂层(thermal barrier coating,TBC)存在相稳定性差、抗烧结性能差以及易受CMAS(Ca O-Mg O-AlO-Si O)腐蚀等问题,目前已经无法满足航空发动机的发展要求,亟需开发新型TBC材料。锆酸钆GdZrO(GZO)是一种很有前景的TBC新材料,但是其力学性能和热物理性能有待改善,导致其应用受到了一定的限制。因此,本研究设计了钪(Sc)掺杂GdZrO(GZO-Sc)新型TBC材料,阐明了Sc在GZO晶格中的固溶机理,优化了Sc的掺杂量,系统地研究了GZO-Sc涂层的制备、抗烧结性、热循环性能以及CMAS腐蚀行为,为新型TBC的研究提供了理论基础。采用第一性原理的方法研究了Sc在GZO晶格中的缺陷形成能,揭示了Sc在GZO晶格中的固溶机理。Sc优先进入GZO晶格的间隙位置,当Sc含量超过11.11 at%后,取代掺杂逐渐占据主导。Sc的加入能够有效的改善GZO的力学和热物理性能,主要表现为杨氏模量下降,韧性提高,德拜温度和热导率降低等。当Sc含量为16.67 at%时,杨氏模量、德拜温度和热导率的下降趋势变缓,韧性达到了最优。因此,GZO-Sc材料的Sc含量优选为16.67 at%。采用大气等离子喷涂方法成功制备了GZO-Sc(16.67 at%Sc)TBC,研究了其抗烧结性和热循环性能。GZO-Sc陶瓷涂层在1400℃保持良好的相稳定性,100 h内未出现烧结现象。热循环的实验结果表明,GZO-Sc/YSZ双陶瓷层TBC与GZO-Sc单层TBC相比具有优异的抗热震性能,热循环过程中YSZ涂层起到良好的缓冲作用,其与GZO-Sc涂层界面匹配性好。研究了CMAS作用下GZO-Sc/YSZ涂层的高温稳定性。在1250℃下,经过0.5 h的热处理后,产生了钙长石相Ca AlSiO、c-ZrO基萤石相和GdCaSiO基磷灰石相。随着腐蚀时间的延长,Ca AlSiO消失,c-ZrO基萤石相和GdCaSiO基磷灰石相逐渐增多,并且组成连续、致密的反应层,有效阻止了CMAS进一步渗透。与GZO/YSZ相比,GZO-Sc涂层能够在CMAS作用下保持更佳的结构完整性,并且GZO-Sc涂层的消耗速率更慢。对反应层界面的第一性原理计算结果表明,反应层与涂层之间结合相对较强,CMAS熔体很难润湿反应层表面,有利于反应层阻挡CMAS的二次渗透。

关键词：热障涂层第一性原理 Gd2Zr2O7 高温稳定性 CMAS

ZrO2-RETaO4体系相平衡、力学性能及抗CMAS腐蚀性能的研究

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ZrO2-RETaO4体系相平衡、力学性能及抗CMAS腐蚀性能的研究

作者：陈明湘潭大学

学位级别：硕士

热障涂层(Thermal barrier coatings,简称TBCs)作为热防护材料广泛应用于航空发动机高温部件,然而随着航空发动机工作温度越来越高,现役的7YSZ热障涂层材料由于高温烧结、相变和CMAS腐蚀等挑战已经难以满足高性能发动机的使用需求,因此... 详细信息

热障涂层(Thermal barrier coatings,简称TBCs)作为热防护材料广泛应用于航空发动机高温部件,然而随着航空发动机工作温度越来越高,现役的7YSZ热障涂层材料由于高温烧结、相变和CMAS腐蚀等挑战已经难以满足高性能发动机的使用需求,因此寻找耐高温、耐腐蚀的新型热障涂层材料迫在眉睫。在ZrO-RETaO体系中,等摩尔REO和TaO掺杂的氧化物有潜力成为下一代热障涂层材料。本文采用化学共沉淀法制备出ZrO-RETaO体系陶瓷粉体,研究ZrO-RETaO体系中四方相氧化锆形成规律的影响因素,并探索其力学性能和CMAS腐蚀机理,主要得出如下结论:(1)通过微结构表征研究了ZrO-RETaO体系相稳定序列和四方相氧化锆的形成规律。结果表明ZrO-RETaO体系的相稳定序列随着稀土离子半径的增大逐渐由四方相氧化锆过渡到单斜相氧化锆,该转变发生在Gd和Nd稀土离子之间;四方相t-ZrO的形成能力随着稀土离子半径的减小而逐渐增强,较小的稀土离子掺杂会使得t-ZrO在较高掺杂浓度下稳定,且能获得较大的稳定成分区间范围,而较大的稀土离子掺杂会减小t-ZrO稳定成分范围,甚至抑制四方相氧化锆的形成。(2)采用维氏压痕法研究了ZrO-RETaO体系的硬度和韧性等力学性能。结果表明随着掺杂稀土离子半径的增大,四方相t-ZrO的硬度和韧性得到提高;t-ZrO+Yb TaO两相组织区域硬度随着Yb TaO相含量的增加先得到提高后逐渐降低,韧性先降低后提高;t-ZrO+Dy TaO两相组织区域硬度和韧性都是随着Dy TaO相含量的增加而得到提高;t-ZrO+Gd TaO两相组织区域硬度随着Gd TaO相含量的增加先降低后提高,韧性逐渐降低。(3)通过CMAS腐蚀渗透实验和相平衡反应实验研究了ZrO-RETaO体系材料的抗CMAS腐蚀能力和腐蚀机理。结果表明共掺杂t-ZrO不耐CMAS腐蚀,其与CMAS反应会使得Ta、RE和Zr固溶到CMAS中从而诱导t-ZrO→m-ZrO相变,该相变产生较大的应变能,使得腐蚀组织疏松多孔。t-ZrO+Yb TaO组织与CMAS反应时主要参与反应的是t-ZrO而Yb TaO相对惰性,反应产物为c-ZrO,其疏松多孔,不具备抗CMAS腐蚀的特点。t-ZrO+Gd TaO和t-ZrO+Dy TaO两相组织的腐蚀组织基本一致,在CMAS腐蚀过程中主要是RETaO参与反应,反应产物为烧绿石Ca RETaO,该腐蚀反应层是连续致密的,能起到阻碍CMAS腐蚀的作用。

关键词：热障涂层相转变稀土掺杂 CMAS 韧性

CMAS环境下电子束物理气相沉积热障涂层的热循环行为及失效机制

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复合材料学报 2012年第5期29卷 76-82页

作者：苗文辉王璐郭洪波彭徽王凯宫声凯北京航空航天大学材料科学与工程学院北京100191 中航工业沈阳黎明航空发动机(集团)有限责任公司沈阳110043

航空发动机涡轮叶片工作时表面经常产生CaO-MgO-Al2O3-SiO2(简称CMAS)等沉积物。本文中研究了电子束物理气相沉积(EB-PVD)制备ZrO2热障涂层(TBCs)在CMAS环境下的热循环行为及失效机制。结果表明,在1200℃热冲击条件下,表面涂覆CMAS的热... 详细信息

航空发动机涡轮叶片工作时表面经常产生CaO-MgO-Al2O3-SiO2(简称CMAS)等沉积物。本文中研究了电子束物理气相沉积(EB-PVD)制备ZrO2热障涂层(TBCs)在CMAS环境下的热循环行为及失效机制。结果表明,在1200℃热冲击条件下,表面涂覆CMAS的热障涂层的热循环寿命低于100次,而未涂覆CMAS的涂层寿命达到500次以上,CMAS的存在加速了热障涂层的剥落失效。在1200℃经过210次循环后,ZrO2陶瓷层与CMAS之间形成了约8μm厚的互反应区,其形成主要与CMAS中Ca2+内扩散有关。CMAS环境下热障涂层陶瓷层产生大量横向裂纹,涂层的失效主要以陶瓷层片状剥落为主。

关键词：热障涂层循环热冲击 CMAS 互反应区失效

多元稀土掺杂氧化锆基热障涂层抗CMAS高温侵蚀性研究

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多元稀土掺杂氧化锆基热障涂层抗CMAS高温侵蚀性研究

作者：王彤欣中国科学院大学(中国科学院上海硅酸盐研究所)

学位级别：硕士

6wt.%～8wt.%氧化钇部分稳定氧化锆(6～8YSZ)热障涂层被广泛用作航机/燃机等热端部件的防护涂层,有效地提高发动机的热效率并延长其使用寿命。然而在航机/燃机服役过程中,大气中的沙尘、火山灰等钙镁铝硅颗粒(CMAS,Ca O-Mg O-AlO-Si O)... 详细信息

6wt.%～8wt.%氧化钇部分稳定氧化锆(6～8YSZ)热障涂层被广泛用作航机/燃机等热端部件的防护涂层,有效地提高发动机的热效率并延长其使用寿命。然而在航机/燃机服役过程中,大气中的沙尘、火山灰等钙镁铝硅颗粒(CMAS,Ca O-Mg O-AlO-Si O)沉积在叶片涂层表面,高温下对涂层造成严重腐蚀,影响航机/燃机寿命。文献显示含Gd、Yb等稀土离子的锆酸盐涂层以及高Y含量YSZ涂层具有较好的抗CMAS高温腐蚀性能。但是,对于Y、Gd、Yb等多元稀土掺杂的隔热性能更优的氧化锆基热障涂层的抗CMAS特性研究鲜有报道。本课题拟探察Y、Gd、Yb等稀土元素在氧化锆基热障涂层抗CMAS侵蚀中的作用,以此优化氧化锆基热障涂层的稀土掺杂改性方案,并进一步考评改性后涂层在模拟实际服役工况条件下的抗CMAS性能。采用大气等离子体喷涂(APS)工艺制备8YSZ及ZrO-9.5YO-5.6YbO-5.2GdO(YSZ-Yb-Gd)两种无基材厚热障涂层,在1350°C下进行恒温热考核,在对比研究两种涂层的CMAS腐蚀行为的基础上,探究了Y、Gd、Yb在涂层抗腐蚀性能中所起的作用,为热障涂层抗CMAS特性的改善提供借鉴。采用超音速火焰喷涂(HVOF)和APS工艺分别在镍基高温合金上制备了Ni Co Cr Al Y结合层和三种总厚度相同但组分和结构不同的ZrO-YO热障涂层。在表面涂覆CMAS后,经1350°C高温焰流考核,利用SEM、EDS、XRD、RS等表征手段,考察CMAS对ZrO-YO涂层的侵蚀行为与机制,为抗CMAS的高性能TBCs设计提供实验数据和技术支撑。形成主要结论如下:(1)表面涂覆50 mg/cmCMAS的8YSZ和YSZ-Yb-Gd厚涂层随腐蚀时间延长,CMAS沿孔隙逐渐渗入涂层内部,涂层致密化深度逐渐增加,在相同时间内YSZ-Yb-Gd涂层的致密化区域深度大于8YSZ涂层;浅层产物以Zr Si O和ZrO为主,8YSZ和YSZ-Yb-Gd涂层分别经历6 h和1 h热处理后开始发生浅层的弥散剥离;24 h后两种涂层m-ZrO相的可探测深度约为120μm,之后涂层逐渐恢复到与喷涂态相同的相组成。少量Yb、Gd的添加并没有改善YSZ涂层的抗CMAS腐蚀性能。(2)表面涂覆7 mg/cmCMAS的带基材热障涂层试样经受1350°C表面温度的高温焰流考核,8YSZ涂层的抗蚀寿命最短,其剥离失效发生在陶瓷涂层和TGO/粘结层之间的界面处;38YSZ次之,其剥离失效发生在陶瓷涂层内部;8YSZ+YO双陶瓷涂层最优,3 h后仍保持完整。38YSZ和8YSZ+YO双陶瓷涂层表层均生成CaY(Si O)O/Y(Si O)O新相,其致密结构阻挡了CMAS的深层渗入。(3)8YSZ涂层经1350°C高温焰流考核1 h后剥蚀严重,剥离涂层中存在一定量的m-ZrO,残留的陶瓷层的主晶相为t’-ZrO。38YSZ涂层经高温焰流考核2 h后发生较严重剥蚀,涂层剥落区域残留陶瓷涂层厚度约为30μm,未明显剥离区域的陶瓷层平均减薄100μm,残留涂层中几乎不含CMAS,表明CMAS未完全渗透陶瓷涂层。8YSZ+YO双陶瓷层试样随高温焰流考核时间的延长,在表面生成了CaY(Si O)O/Y(Si O)O新相。直至考核3 h后,YO层仍保持完整,与原始YO层厚度相比,其厚度减薄量为5～20μm。YO层为YSZ涂层提供了足够的抗蚀屏障。因此,8YSZ+YO双陶瓷涂层展示了更好的抗CMAS腐蚀性能。

关键词：大气等离子体喷涂热障涂层 ZrO2-Y2O3 Gd CMAS

CMAS环境下PS-PVD 7YSZ涂层的抗热冲击性能及失效机制

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金属热处理 2017年第4期42卷 175-179页

作者：王允良邓畅光詹肇麟张吉阜昆明理工大学材料科学与工程学院云南昆明650000 广东省新材料研究所现代材料表面工程技术国家工程实验室广东省现代表面工程技术重点实验室广东广州510650

采用等离子喷涂-物理气相沉积(PS-PVD)工艺制备柱状7YSZ热障涂层,同时在7YSZ涂层表面沉积CMAS熔盐,研究在1250℃高温下,CMAS对柱状PS-PVD 7YSZ涂层抗热冲击性能的影响。采用SEM、EDS、XRD等检测方法分析热障涂层微观结构、元素分布和物... 详细信息

采用等离子喷涂-物理气相沉积(PS-PVD)工艺制备柱状7YSZ热障涂层,同时在7YSZ涂层表面沉积CMAS熔盐,研究在1250℃高温下,CMAS对柱状PS-PVD 7YSZ涂层抗热冲击性能的影响。采用SEM、EDS、XRD等检测方法分析热障涂层微观结构、元素分布和物相组成。结果表明:沉积CMAS熔盐的7YSZ涂层在热循环240次发生层离剥落失效,而未沉积CAMS的涂层无明显剥落,其热循环寿命明显优于沉积CMAS熔盐的7YSZ涂层。在CMAS和循环热冲击的耦合作用下,PS-PVD 7YSZ涂层失效机制为:在热冲击过程中,CMAS熔盐渗入并填充7YSZ涂层,引起渗透区和未渗透区热膨胀系数不均衡,从而产生热不匹配应力;此外,热冲击过程中由于温度梯度的存在也会引起温度梯度热应力,在这两种热应力的耦合作用下,引起涂层内部横向裂纹的产生,并随着热冲击次数的增加,横向裂纹发生扩展,最终导致涂层出现层离剥落失效。

关键词：等离子喷涂-物理气相沉积循环热冲击 CMAS 失效

(Gd_(0.7)Sr_(0.3))ZrO_(3.35)涂层的CaO-MgO-Al_2O_3-SiO_2(CMAS)腐蚀行为

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中国腐蚀与防护学报 2017年第1期37卷 47-52页

作者：蔡丽丽马文李新慧尹轶川马伯乐白玉王俊董红英内蒙古工业大学材料科学与工程学院呼和浩特010051 内蒙古工业大学内蒙古自治区薄膜与涂层重点实验室呼和浩特010051 内蒙古工业大学化工学院呼和浩特010051

采用APS制备了(Gd_(0.7)Sr_(0.3))ZrO_(3.35)涂层,将涂覆CaO-MgO-Al_2O_3-SiO_2(CMAS)的(Gd_(0.7)Sr_(0.3))ZrO3.35涂层以及(Gd_(0.7)Sr_(0.3))ZrO_(3.35)与CMAS混合粉末在1250℃分别热处理1,4,8和12 h。使用XRD和SEM分别对腐蚀产物的相组成、显微形貌进行分析。结果表明:(Gd_(0.7)Sr_(0.3))ZrO_(3.35)涂层抗CMAS腐蚀性能良好,原因是在腐蚀产物层内形成了由磷灰石相Ca2Gd8(SiO4)6O2和c-Zr O2组成的致密的阻碍层,有效地抑制了CMAS的进一步腐蚀。

关键词：热障涂层 (Gd0.7Sr0.3)ZrO3.35涂层 CMAS 磷灰石相

稀土六铝酸盐热障涂层抗CMAS腐蚀机理及方法研究

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稀土六铝酸盐热障涂层抗CMAS腐蚀机理及方法研究

作者：孙铱尉暨南大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词：热障涂层高温腐蚀稀土六铝酸盐 YSZ CMAS 激光重熔

不同热循环时间下YSZ热障涂层抗CMAS腐蚀性能的研究

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不同热循环时间下YSZ热障涂层抗CMAS腐蚀性能的研究

作者：樊文琪上海应用技术大学

学位级别：硕士

热障涂层(TBCs)材料有着非常好的耐高温性能以及良好的隔热性能,因此被广泛应用于航空发动机、燃气轮机等涡轮发动机热端部件表面,热障涂层能够有效降低涡轮发动机合金基底的工作温度,对发动机的工作效率以及运行寿命的提高起着相当重... 详细信息

热障涂层(TBCs)材料有着非常好的耐高温性能以及良好的隔热性能,因此被广泛应用于航空发动机、燃气轮机等涡轮发动机热端部件表面,热障涂层能够有效降低涡轮发动机合金基底的工作温度,对发动机的工作效率以及运行寿命的提高起着相当重要的作用。但航空发动机在实际的运行环境中,会因高温烧结和空气环境沉积物钙镁铝硅酸盐(Ca O-Mg O-AlO-Si O,简称CMAS)的侵蚀而失效,严重影响涡轮发动机的工作效率和使用寿命。为了区分高温烧结和CMAS腐蚀对YSZ涂层各自的破坏作用,以及高温烧结对CMAS腐蚀YSZ涂层的影响,本文对YSZ涂层进行4h、8h和16h的1300℃的纯高温烧结和1300℃的CMAS的腐蚀实验。针对YSZ涂层在不同时间下高温烧结和CMAS腐蚀作用下的失效现象进行研究,探究不同腐蚀时间下YSZ涂层在CMAS腐蚀下的组织演变和失效机理。研究结果表明,大气等离子喷涂的YSZ涂层具有典型的层状结构,涂层中的片层是由形貌清晰的四方柱状晶组成,片层与片层之间层间间隙非常明显,并且喷涂的YSZ涂层孔洞和微裂纹分布较多。在1300℃的高温下,YSZ涂层会随着烧结时间的延长微裂纹消失得越多、片层中的柱状晶相互融合得越完全,片层与片层之间的间隙会变得更小,YSZ涂层中分布的孔洞也会变得更小。1300℃的高温对YSZ涂层烧结4h、8h、16h均不会产生相变,但是,YSZ涂层烧结8h、16h时会出现横向裂纹和纵向裂纹,这种裂纹的出现增加了熔融CMAS流入YSZ涂层的路径,相对于致密的YSZ涂层,熔融的CMAS会更易沿着裂纹渗入YSZ涂层内部,导致涂层更容易遭到CMAS熔盐的侵蚀。此外,烧结会导致YSZ涂层孔洞缩小,并且由于CMAS易沿着YSZ涂层的小孔洞对YSZ涂层进行侵蚀,因此烧结时间的延长会加速CMAS对YSZ涂层的侵蚀速度。在1300℃的高温环境下CMAS对YSZ涂层的腐蚀会随着腐蚀时间的延长而侵蚀厚度加深,同时对YSZ涂层的结构破坏也越强,涂层内产生的四方氧化锆(t-Zr O)到单斜氧化锆(m-Zr O)的相变也越多,CMAS与YSZ涂层发生的溶解再析出反应也越完全。熔融的CMAS对YSZ涂层进行侵蚀时,会沿着涂层的晶界、孔洞和微裂纹对YSZ涂层进行侵蚀,并与YSZ涂层的顶层区域发生溶解再析出机制,导致YSZ涂层顶层区域被CMAS溶解成许多砂状晶粒,沉淀析出的Zr O由于缺少YO的稳定作用而转变为m-Zr O颗粒。由于YSZ涂层良好的润湿性能和低粘度性,导致YSZ涂层溶解再析出区域以外的区域由于CMAS的渗入YSZ涂层变得更为致密。此外,由于CMAS与YSZ涂层的热胀系数不匹配以及CMAS导致YSZ涂层产生的四方氧化锆(t-Zr O)到单斜氧化锆(m-Zr O)的相变引起的体积膨胀积累的内应力导致YSZ涂层产生层裂现象。

关键词： CMAS YSZ 高温烧结腐蚀相变

YAG/8YSZ双陶瓷热障涂层体系高温氧化和CMAS腐蚀性能研究

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YAG/8YSZ双陶瓷热障涂层体系高温氧化和CMAS腐蚀性能研究

作者：张义兰州理工大学

学位级别：硕士

热障涂层(Thermal Barrier Coatings,TBCs)被应用于燃气轮机高温热端部件,使基体合金可在更高温度范围服役。TBCs服役寿命及抗高温氧化、CMAS腐蚀等性能是衡量TBCs功能的重要指标。新型TBCs材料钇铝石榴石(YAlO,YAG)具有高的相稳定性与... 详细信息

热障涂层(Thermal Barrier Coatings,TBCs)被应用于燃气轮机高温热端部件,使基体合金可在更高温度范围服役。TBCs服役寿命及抗高温氧化、CMAS腐蚀等性能是衡量TBCs功能的重要指标。新型TBCs材料钇铝石榴石(YAlO,YAG)具有高的相稳定性与隔氧性、低的热导率及对CMAS的良好抗性,因其较低的热膨胀系数设计了YAG/8YSZ双陶瓷层TBCs结构。采用爆炸喷涂(D-GUN)制备粘结层(NiCoCrAlY),大气等离子喷涂(APS)制备YAG和8YSZ陶瓷层。利用SEM和XRD分析涂层氧化、腐蚀及热震前后截面与表面特征,比较研究了大气环境中8YSZ单陶瓷和YAG/8YSZ双陶瓷TBCs体系的抗高温氧化性能、抗CMAS腐蚀性能及CMAS与YAG之间的反应性,最后采用热震实验表征了2种涂层体系的循环寿命。高温氧化失效是TBCs失效的主要模式之一。本文对比研究了8YSZ单陶瓷和YAG/8YSZ双陶瓷TBCs体系在1100℃等温氧化不同时间后的氧化增重动力学、YAG陶瓷层微观结构与物相及热生长氧化物(Thermally Grown Oxide,TGO)生长过程和生长动力学。结果表明,YAG陶瓷层在1100℃等温氧化300 h后无明显相结构转变,孔隙率稍有降低;YAG/8YSZ双陶瓷层体系较8YSZ单陶瓷层体系氧化增重速率降低1.7倍,TGO生长速率降低1.4倍,粘结层β-NiAl相消耗速度及岛状氧化物生长速度更低,表现出更好的抗高温氧化性能。CMAS腐蚀已成为航空发动机叶片表层热障涂层(TBCs)失效的重要因素之一。将YAG/CMAS混合粉(质量比1:1)和表面涂覆有CMAS粉的2种TBCs在1250℃分别保温12 h和1 h、4 h及12 h,研究了YAG粉末与CMAS之间的反应情况及2种TBCs的CMAS腐蚀过程和腐蚀机理。结果表明:充分接触的YAG和CMAS粉在1250℃下仅在YAG粉末颗粒边缘位置发生反应,YAG表现出良好的CMAS抗性和高温稳定性;8YSZ单陶瓷TBCs腐蚀1 h后,陶瓷层与CMAS发生剧烈反应,Y离子的浸出引发8YSZ四方相向单斜相转变,12 h后CMAS完全渗入8YSZ陶瓷层;而YAG/8YSZ双陶瓷TBCs腐蚀过程中,CMAS未渗透YAG面层陶瓷层,保护底层陶瓷层8YSZ未被侵蚀损害,同时YAG陶瓷层内部结构保持完整,仅在CMAS/YAG界面发生反应生成了针状和块状的高熔点惰性磷灰石相,其密封在涂层孔隙及裂纹中封阻了CMAS的渗入,提高了YAG/8YSZ双陶瓷TBCs体系的抗CMAS腐蚀性能。最后,在模拟TBCs实际服役工况的基础上,采用热震实验表征了两种涂层体系的循环寿命。结果表明,YAG/8YSZ双陶瓷TBCs体系热震次数是8YSZ单层体系的41%。YAG/8YSZ双陶瓷体系界面多,层间热膨胀系数相差较大等因素致使其表现出抗较差的抗热震性能。综上所述,这种YAG/8YSZ双陶瓷TBCs体系结构高温下表现出来良好的稳定性及氧化和CMAS腐蚀抗性,为YAG/8YSZ双陶瓷TBCs的应用提供了理论和实验参考。

关键词：热障涂层等温氧化 YAG CMAS TGO