论文部分内容阅读
随着航空发动机和地面燃气轮机热端部件的隔热效果和使用温度要求的提高，传统的YSZ涂层越来越难以满足需求。因此，新型热障涂层材料成为研究的热点领域。焦绿石结构的Sm2Zr2O7（SZO）陶瓷材料具有热导率低、熔点高及相结构稳定等特点成为重要的候选材料之一。但是，研究结果表明，采用SZO陶瓷材料制备的热障涂层，其热冲击性能较差，该缺点严重制约着SZO热障涂层的实际应用。本论文主要研究如何提高SZO热障涂层的热冲击性能。本论文通过A位和B位同时掺杂材料改性、涂层结构优化及真空预氧化处理等方面的研究，探讨SZO热障涂层的热冲击失效机理，确定影响SZO热障涂层抗热冲击性能的关键影响因素，得出的主要研究结果如下：采用化学共沉淀合成了SZO和(La0.5Sm0.5)2(Zr1-xCex)2O7（x=0.1，0.2，0.3，0.4，0.5）陶瓷材料。当x0.3时，(La0.5Sm0.5)2(Zr1-xCex)2O7材料的相结构为焦绿石结构；当x＞0.3时，其相结构为萤石结构；(La0.5Sm0.5)2(Zr0.7Ce0.3)2O7（LSZCO）粉末比表面积的影响因素显著性顺序为：pH值＞PAA添加量＞反应物浓度＞反应温度，得到的优化工艺参数为pH=11、PAA添加量0.6vol%、反应物浓度为0.6mol/L、反应温度50oC，采用该工艺制备的前驱体粉末粒径范围为15～40nm。分别采用球磨、喷雾干燥和感应等离子体球化制备了SZO团聚体粉末，喷雾干燥和感应等离子体球化制备的SZO团聚体粉末具有更加优良的等离子喷涂工艺适应性。感应等离子体团聚体粉末球化率的影响因素显著性顺序为：氢气流量＞氩气流量＞反应室压力＞送粉速率，得到的优化工艺参数为：氩气流量60slpm、氢气流量8slpm、反应室压力12psig、送粉速率12g/min。粒径20~80μm粉末的球化率为94.8%，其流动性与未球化前相比，提高了20.4%。在同等边界条件下，采用圆管法比较了SZO、LSZCO及YSZ热障涂层的隔热效果，其涂层隔热效果的排序为：LSZCO＞SZO＞YSZ。当涂层厚度为0.3mm，冷却气体流量为3m3/h，与SZO涂层和YSZ涂层相比，LSZCO涂层的隔热效果分别提高了10.3%和28.7%，掺杂La3+和Ce4+使SZO材料的热导率降低了19.1%，对提高涂层的隔热性能有利。采用单面热冲击法测试了涂层在1300oC下的抗热冲击性能。单层结构SZO涂层（SCL-SZO）在热冲击过程中，由于不同材料的热膨胀系数存在差异，在SZO/BC、SZO/TGO及BC/TGO界面处均产生热应力，在热应力的作用下，横向扩展型裂纹沿SZO/TGO界面处SZO层一侧形成，使SZO层从SZO/TGO界面处脱落，最终导致涂层失效。与SZO相比，LSZCO和YSZ材料的热膨胀系数分别提高了8.3%和14.1~20%。与SCL-SZO涂层相比，采用真空预氧化处理、掺杂La3+、Ce4+材料改性和SZO/YSZ双陶瓷层结构（DCL-SZO/YSZ）使涂层的抗热冲击寿命分别提高了33.3%、70.7%和340%，表明SZO材料较低的热膨胀系数所引起的SZO/BC界面热应力是影响SCL-SZO涂层热冲击性能的关键因素。因此，在不降低材料热导率前提下，继续提高材料的热膨胀系数，是进一步提高SCL-SZO涂层抗热冲击性能的关键。对于DCL-SZO/YSZ涂层，由于TGO厚度的增加所引起BC/TGO界面热应力是导致涂层失效的关键因素。与SCL-SZO涂层相比，真空预氧化处理可以使DCL-SZO/YSZ涂层的的寿命至少提高19倍达到3000次以上，采用该种方法可有效提高涂层的抗热冲击性能。