改性YSZ涂层的抗氧化和抗热震性能研究

论文摘要

本文采用大气等离子喷涂技术在高温合金基体上制备了双层结构的热障涂层,表面陶瓷层分别为YSZ微米涂层、YSZ纳米涂层和CeO2-YSZ涂层和SiO2-YSZ涂层。通过对涂层的氧化试验和热震试验的结果进行比较,并结合X射线衍射分析（XRD）、扫描电镜（SEM）等表征手段,较系统地研究了物相和微观组织对各种YSZ涂层抗氧化和抗热震性能的影响规律。研究结果表明,YSZ微米涂层中ZrO2主要为t相;涂层中孔隙分布不均匀,陶瓷颗粒结合状态较差,易产生层片状结构导致涂层失效;YSZ纳米涂层中ZrO2主要为c相,含有少量的四方（t’和t）相,涂层中孔洞分布均匀,有大量微裂纹,有利于降低涂层的热导率。在热循环应力作用下,纳米涂层具有一定的应力释放能力,涂层脆性降低,提高了涂层的抗热震性能。CeO2-YSZ涂层中产生了新的固溶体相ZrxCe1-xO2 （0.25<x<0.4）,高温下固溶体内氧空位迅速增加,并且Ce3+/Ce4+会扩散到周围ZrO2晶体中,有利于阻止t’相和c相转变为t相;相比于YSZ纳米涂层,CeO2-YSZ涂层孔隙率有所降低,微裂纹密度提高,分布更均匀;微裂纹扩展途径类似“沿晶断裂”,具有更好的抗氧化性能和抗热震性能。YSZ纳米涂层浸渍SiO2溶胶后表面覆盖一层非晶的SiO2膜层,部分孔隙中也被SiO2溶胶填充。在温度不太高的应用条件下,SiO2溶胶的封孔作用有助于提高涂层的隔热性能;在更高温度下,涂层能通过SiO2熔化外渗带走热量和隔热阻止热量传递而起到防热作用。含SiO2夹杂物在热循环过程会成为微裂纹的形核与扩展源,使涂层的抗热震性能下降。研究结果表明,在YSZ纳米涂层的基础上改性制备出的CeO2-YSZ涂层及SiO2-YSZ涂层,分别在抗热震性能和短时间高温抗氧化性能方面有较大提高,相关结论具有很好的理论意义和工程应用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 热障涂层概述
• 1.2.1 热障涂层的发展及应用
• 1.2.2 热障涂层结构
• 1.2.3 热障涂层材料
• 1.3 等离子喷涂工艺制备热障涂层
• 1.3.1 热障涂层制备技术
• 1.3.2 等离子喷涂原理及特点
• 1.3.3 等离子喷涂工艺制备YSZ 纳米涂层
• 1.4 热障涂层的失效机理
• 1.4.1 YSZ 的演变
• 1.4.2 粘结层的氧化
• 1.4.3 应力的产生
• 1.4.4 热障涂层寿命影响因素和改善途径
• 1.5 YSZ 涂层的改性研究
• 1.5.1 纳米改性YSZ 涂层
• 1.5.2 掺杂改性YSZ 涂层
• 1.6 本课题的研究内容
• 第2章 试验材料的制备及研究方法
• 2.1 选材及试样制备
• 2.1.1 试验材料
• 2.1.2 粉末的制备
• 2.1.3 涂层试样的制备
• 2.2 试验方案
• 2.2.1 试验设计依据
• 2.2.2 方案设计
• 2.2.3 试验仪器设备
• 2.3 高温性能测试
• 2.3.1 氧化试验
• 2.3.2 热震试验
• 2.4 组织结构分析
• 2.4.1 金相试样的制备
• 2.4.2 扫描电子显微镜分析
• 2.4.3 X 射线衍射分析
• 第3章 改性YSZ 涂层的抗高温氧化性能
• 3.1 氧化动力学曲线
• 3.2 四种YSZ 涂层氧化前的组织结构
• 3.2.1 涂层物相分析
• 3.2.2 涂层微观组织结构
• 3.3 涂层氧化后的微观组织结构
• 3.3.1 三种纳米涂层氧化后的微观组织
• 3.3.2 粘结层的氧化
• 3.3.3 微米涂层和纳米涂层抗氧化性能比较
• 3.4 Ce02-YSZ 涂层的抗氧化性能分析
• xCe_1-xO₂ 对涂层抗氧化性能影响'>3.4.1 Zr_xCe_1-xO₂对涂层抗氧化性能影响
• 3.4.2 微观组织对涂层抗氧化性能影响
• 3.5 Si02-YSZ 涂层的抗氧化性能分析
• 2- YSZ 涂层微观组织特点'>3.5.1 SiO₂- YSZ 涂层微观组织特点
• 2 对涂层抗氧化性能影响'>3.5.2 SiO₂对涂层抗氧化性能影响
• 3.6 本章小结
• 第4章 改性YSZ 涂层的抗热震性能
• 4.1 涂层的抗热震性能测试
• 4.1.1 涂层抗热震性能测试结果
• 4.1.2 纳米与微米涂层抗热震性能比较
• 2-YSZ 涂层的抗热震性能分析'>4.2 CeO₂-YSZ 涂层的抗热震性能分析
• 4.2.1 物相对涂层抗热震性能影响
• 4.2.2 微观组织对涂层抗热震性能影响
• 2-YSZ 涂层的抗热震性能分析'>4.3 SiO₂-YSZ 涂层的抗热震性能分析
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢