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氧化钇部分稳定氧化锆(YSZ)热障涂层广泛用作航空发动机金属部件的热防护。高温工况下,YSZ涂层易发生烧结和相变,导致涂层热导率和弹性模量上升,热障涂层的可靠性和寿命相应降低,限制其在更高温度下的使用。稀土锆酸盐材料具有比YSZ陶瓷低的热导率和良好的抗烧结性能,是新型热障涂层的候选材料之一。论文以锆酸钐(Sm2Zr2O7,SZ)为研究对象,在确定的工艺条件下,采用等离子体喷涂技术制备SZ涂层,测定涂层的某些物理、力学和热学性能,探查涂层微观结构与性能之间的关系。依据SZ和YSZ涂层的抗热冲击试验结果,初步探讨涂层的破损和失效机理。获得的主要结果有:
1.采用固相反应方法制备SZ粉体,通过喷雾造粒获得球形度好、粒度分布合宜的SZ原料粉体。采用上述粉体制备的涂层微观结构均匀。
2.与相同工艺参数下制备的YSZ涂层相比,SZ涂层具有低的热导率和相近的热膨胀系数。SZ涂层的热导率比YSZ涂层低～40％,较大的Sm和Zr质量差和较高的氧空位浓度是涂层低热导率的主要原因。SZ涂层的硬度、弹性模量和抗折强度均低于YSZ涂层,这与SZ较大Sm3+半径以及较高氧空位浓度有关。
3.等离子体喷涂过程的高温急冷可抑制组分离子的扩散,SZ涂层为高温缺陷萤石相。高温热处理加剧离子扩散,促进离子重排,使喷涂态SZ涂层由缺陷萤石结构转变为烧绿石结构。喷涂态SZ涂层为阳离子有序的阴离子缺陷萤石结构,热处理后48f(O1)和8a(O2)位氧离子均呈有序排列,离子有序排列发生在降温过程。喷涂态涂层的有序域为纳米尺度,高温热处理导致烧绿石相晶粒的生长发端于该部位。
4.随着热处理温度升高,SZ涂层的柱状晶逐渐消失,层间裂纹愈合。热处理温度低于1200℃时,涂层内部发生较窄裂纹的颗粒颈缩联接愈合,热处理温度升高导致较大缺陷愈合,涂层的总孔隙率相应降低,裂纹密度下降;SZ涂层的晶粒生长活化能较高,具有良好的抗烧结性能。热处理使SZ涂层的热导率增大,硬度和弹性模量均上升,断裂韧性下降,离子电导率上升,电导率活化能降低。上述结果与涂层的热处理温度有关,较高的热处理温度导致涂层孔隙减少,层间裂纹愈合以及阴离子有序化程度提高。
5.与常用的YSZ涂层比较,SZ涂层的热循环寿命较低,其失效源于应力导致涂层与结合层间的分离。应力可能是由低温段SZ涂层热膨胀系数异常下降造成的。此外,热循环过程提高了涂层组分离子有序程度,柱状晶内形成小晶粒,降低了涂层的应变容限。而YSZ涂层的破坏形式主要是应力导致的纵向裂纹扩展。