钽酸钪超高温热障涂层材料的研究

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稀土钽酸盐材料具有类似于氧化钇稳定氧化锆(6-8 wt.%Y2O3稳定Zr O2,YSZ)材料的铁弹增韧效果,它有望取代YSZ成为新一代的热障涂层材料。本论文采用固相合成方法,制备了钽酸钪(Sc Ta O4)超高温热障涂层材料;并在Sc Ta O4材料中掺杂Zr O2,制备了(Zr O2)x-(Sc Ta O4)1-x(x=0.1,0.2)材料。使用X射线衍射仪、扫描电镜SEM、能谱仪EDS、热膨胀系数测试仪等设备,测试并分析了Sc Ta O4和掺杂Zr O2的(Zr O2)x-(Sc Ta O4)1-x(x=0.1,0.2)材料的物相组成、显微结构、热物理性能和抗CMAS腐蚀性能等。ScTaO4材料的热膨胀系数(TEC)为4.56-8.75×10-6 k-1(200-1300℃),在1012℃时达到最高值。在高温CMAS腐蚀条件下,Sc Ta O4材料基本不向熔融CMAS中溶解,这得益于Sc3+在CMAS中溶解度低;在Sc Ta O4与CMAS界面处会形成反应层或再结晶层,具有阻止CMAS渗透的作用;在1500℃高温下,Sc Ta O4材料具有良好的高温相稳定性,保持P2/c(13)空间群的单斜黑钨矿结构。超高温条件下Sc Ta O4具有好的隔热能力、良好的相稳定性和抗CMAS腐蚀能力,因此有望替代YSZ成为下一代新型超高温热障涂层材料。掺杂Zr O2产生了合金化效应,降低了Sc Ta O4材料的热膨胀系数。(Zr O2)x-(Sc Ta O4)1-x(x=0.1,0.2)与熔融CMAS接触后,熔融CMAS会诱发Zr4+从Sc Ta O4晶格中游离出来,产生的体积变化会导致微裂纹的产生,从而降低(Zr O2)x-(Sc Ta O4)1-x的可靠性。(Zr O2)x-(Sc Ta O4)1-x(x=0.1,0.2)与CMAS腐蚀产物中未检测到m-Zr O2,说明Sc Ta O4能在一定程度上可阻止t-Zr O2向m-Zr O2的转变,从而增加t-Zr O2的相稳定性。
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