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激光重熔lzo/ysz双陶瓷层热障涂层高温性能研究

激光重熔LZO/YSZ双陶瓷层热障涂层高温性能研究

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作者：李子钰兰州理工大学

学位级别：硕士

热障涂层是一种广泛用于航空发动机涡轮叶片的先进高温防护涂层,可以极大的降低涡轮叶片的表面温度,从而延长叶片的工作寿命。烧绿石结构的LaZrO(lzo)材料被认为是新一代热障涂层的候选材料,但lzo热膨胀性能差,断裂韧性低,限制了其作为... 详细信息

热障涂层是一种广泛用于航空发动机涡轮叶片的先进高温防护涂层,可以极大的降低涡轮叶片的表面温度,从而延长叶片的工作寿命。烧绿石结构的LaZrO(lzo)材料被认为是新一代热障涂层的候选材料,但lzo热膨胀性能差,断裂韧性低,限制了其作为单独陶瓷层的发展,研究表明lzo/6-8 wt.%YO-Zr O(ysz)双陶瓷层热障涂层是改善lzo限制的有效措施。伴随着航空工业的发展,传统工艺制备的热障涂层体系已无法满足航空发动机高效率、高推重比的要求,目前开发新型的热障涂层极为重要。本文采用激光重熔技术改性优化等离子喷涂工艺制备的lzo/ysz双陶瓷层热障涂层,探究了激光重熔技术对其微观组织的改变,系统的研究了激光重熔技术对等离子喷涂lzo/ysz热障涂层热震性能,高温抗氧化性能,抗CMAS腐蚀性能方面的影响。主要结论如下:激光重熔技术改性等离子喷涂lzo/ysz热障涂层后,消除了等离子喷涂表面孔洞、微裂纹等缺陷,层状结构重新排列形成了一层具有柱状晶结构的致密重熔层。激光重熔技术的应用,使得等离子喷涂lzo/ysz热障涂层的表面粗糙度降低了96.3%,陶瓷顶层的孔隙率降低了59.1%。通过在1100℃进行的热震实验结果显示,热循环寿命从等离子喷涂lzo/ysz热障涂层的20次循环增加到激光重熔lzo/ysz热障涂层的48次,表明等离子喷涂lzo/ysz热障涂层的抗热震性能得到提高。激光重熔技术形成的垂直于表面的分段裂纹,改善了应变适应性,从而提高了等离子喷涂lzo/ysz热障涂层的热循环寿命。在1100℃等温氧化100 h的过程中,激光重熔lzo/ysz热障涂层的热生长氧化物(Thermally grown oxide,TGO)生长速率为0.11256μm/h,显著低于等离子喷涂lzo/ysz热障涂层的TGO生长速率0.20905μm/h。等温氧化10 h以后,激光重熔lzo/ysz热障涂层的TGO中AlO层的厚度占比始终大于等离子喷涂lzo/ysz热障涂层。激光重熔技术有效的抑制了TGO的生长,等离子喷涂lzo/ysz热障涂层的高温抗氧化性能得到了极大的改善。在1300℃经过CMAS腐蚀0.5 h、5 h、10 h的结果显示,由于lzo的特性,经过Ca O-Mg O-AlO-Si O(CMAS)腐蚀0.5 h时,等离子喷涂lzo/ysz热障涂层和激光重熔lzo/ysz热障涂层两者都形成了由针状磷灰石相CaLa(Si O)O和球状萤石相Zr O组成的腐蚀反应层。腐蚀反应层可以作为阻碍CMAS渗透的屏障,在经过CMAS腐蚀10 h时,两种涂层均保持结构的完整性。与等离子喷涂lzo/ysz热障涂层相比,激光重熔lzo/ysz热障涂层因光滑表面和致密重熔层的存在,CMAS润湿性更低,在不同腐蚀时间段内腐蚀反应速率都是更低的,腐蚀反应层都是更薄的,激光重熔技术可以显著提高等离子喷涂lzo/ysz热障涂层的抗CMAS腐蚀性能。本研究证明激光重熔技术是一项能有效提高等离子喷涂lzo/ysz双陶瓷层热障涂层高温性能的技术,也为激光重熔改性等离子喷涂热障涂层的应用提供了实验参考。

关键词：激光重熔 lzo/ysz热障涂层抗热震性能 TGO CMAS

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