【摘 要】
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热障涂层是改善航空发动机涡轮叶片性能并延长使用寿命的核心技术之一。现已服役的8 wt.%Y2O3稳定的Zr O2（8YSZ）热障涂层由于相变、烧结（≥1200oC）等问题已不能满足高推重比、高效率的航空发动机日益发展的需求。而稀土磷酸盐材料具有更低热导率、更好的高温相稳定性等优点,被认为是新一代超高温热障涂层的候选材料之一。本文通过溶胶-凝胶法制备La1-xYbxPO4（x=0,0.05,0.1,
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热障涂层是改善航空发动机涡轮叶片性能并延长使用寿命的核心技术之一。现已服役的8 wt.%Y2O3稳定的Zr O2（8YSZ）热障涂层由于相变、烧结（≥1200oC）等问题已不能满足高推重比、高效率的航空发动机日益发展的需求。而稀土磷酸盐材料具有更低热导率、更好的高温相稳定性等优点,被认为是新一代超高温热障涂层的候选材料之一。本文通过溶胶-凝胶法制备La1-xYbxPO4（x=0,0.05,0.1,0.15,0.2）五种陶瓷粉末,后经压片烧结制备出陶瓷块材,对五种陶瓷块材的组织结构、微观形貌、热物理性能、力学性能以及CMAS（Ca O-Mg O-Al2O3-Si O2）腐蚀行为进行了研究。研究的主要内容以及取得的成果如下:（1）对La1-xYbxPO4（x=0,0.05,0.1,0.15,0.2）五种陶瓷粉末与陶瓷块材的组织结构、微观形貌进行研究。随着煅烧温度的增加,陶瓷粉末的结晶度逐渐增加。当掺杂含量为x=0,0.05,0.1时,陶瓷粉末的XRD图谱中均为独居石结构的La PO4,未出现磷钇矿结构的Yb PO4衍射峰。而当掺杂含量为x=0.15,0.2时,XRD图谱中除了独居石结构的La PO4外,还出现磷钇矿结构的Yb PO4衍射峰。将五种陶瓷粉末进行压片烧结,制备出相应的陶瓷块材,陶瓷块材的XRD图谱与陶瓷粉末的基本一致。随着Yb3+掺杂含量的增加,陶瓷块材中主相La PO4的平均晶粒尺寸由原来的2.818μm减小为1.687μm,减小了约67.04%。陶瓷块材的相对密度由原来的89.5%增加到98.4%,增加了约9.94%。（2）对La1-xYbxPO4（x=0,0.05,0.1,0.15,0.2）五种陶瓷块材的热物理性能与力学性能进行研究。800oC时,陶瓷块材的热导率值随着Yb3+掺杂含量的增加先降低后增加,当掺杂含量为x=0.05时,热导率值最低,为0.99 W/（m·K）,较掺杂前提高了约9.09%。1400oC时,掺杂含量为x=0.2的陶瓷块材的热膨胀系数由未掺杂时的10.118×10-6 K-1增加到10.871×10-6 K-1,提高了约7.44%。陶瓷块材的硬度与断裂韧性皆随Yb3+掺杂含量的增加逐渐增大。陶瓷块材的硬度由未掺杂时的2.95 GPa增加到3.86 GPa,增加了约30.85%。陶瓷块材的断裂韧性由未掺杂时的0.996 MPa·m1/2提高到1.052 MPa·m1/2,提高了约5.62%。（3）对La1-xYbxPO4（x=0,0.05,0.1,0.15,0.2）五种陶瓷块材在1250oC的CMAS腐蚀行为进行研究。结果表明,未掺杂时,陶瓷块材与CMAS反应后的产物为钙长石Ca Al2Si2O8和尖晶石Mg Al2O4。掺杂后,陶瓷块材与CMAS反应后的产物除了上述几种物质外,还生成了Ca8Mg Yb（PO4）7、Yb2Si2O7以及少量的磷灰石Ca2RE8（Si O4）6O2（RE=La,Yb）。经过腐蚀后陶瓷块材的截面由CMAS残留层、腐蚀渗透层以及未被腐蚀渗透的部分组成。在CMAS腐蚀5 h与10 h后,Yb3+掺杂的陶瓷块材的腐蚀渗透深度较未掺杂的陶瓷块材均明显减小,这是因为Yb3+掺杂可有效促进Ca8Mg Yb（PO4）7、Yb2Si2O7高熔点物质的生成,消耗CMAS的同时,充分填充了熔融CMAS的腐蚀渗透通道,有效抑制CMAS的进一步腐蚀渗透。
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