基于表面包覆的锆酸镧改性研究

发布时间：2020-03-24 10:17

【摘要】：热障涂层(Thermal barrier coating,TBC)技术,能够有效降低高温部件的表面温度,保护发动机高温部件,是当今燃气轮机领域的研究重点。目前广泛应用的热障涂层材料是氧化钇稳定的氧化锆(Yttria stabilized zirconia,YSZ)材料,其拥有热导率低、热膨胀系数高、抗热冲击性能好等优点,但YSZ在1473K以上发生烧结使涂层失效,因此,寻找高性能热障涂层材料成为研究热点。锆酸镧材料由于热稳定性良好、热导率低、抗烧结和氧隔绝性等诸多优点,在热障涂层领域有着广阔的应用前景,但其存在的热膨胀系数低和韧性差等缺点,阻碍了其实际应用。YSZ包覆La_2Zr_2O_7复合陶瓷结构材料将会对两种材料扬长避短,从而实现对La_2Zr_2O_7材料的改性。本文利用液相沉淀法,成功合成YSZ包覆La_2Zr_2O_7粉末,并对粉末与烧结成型后的复合陶瓷的微观结构与相结构进行了分析表征,证明了粉末的微观结构为YSZ表面包覆的核-壳结构,壳层部分为YSZ晶粒,核心部分为La_2Zr_2O_7晶粒,且烧结后也能保持这种核-壳结构。相分析证明了粉末的La_2Zr_2O_7相与YSZ相的存在,不存在杂相,且粉末在1500℃高温烧结后并未发生相变。对烧结成型后的YSZ包覆La_2Zr_2O_7复合陶瓷的热稳定性、热导率与热膨胀系数等热物理性能进行了测试。发现YSZ包覆La2Zr207材料在1000℃以下具有良好的热稳定性。热导率测试结果表明YSZ的包覆,提高了 La_2Zr_2O_7材料的热导率,尽管使其热导率整体随着温度升高而增大,但在室温至1000℃范围内热导率仅略高于纯La2Zr2I7材料,仍远低于YSZ材料,室温至1000℃的热导率在2.0 W/m·K以下,拥有良好的隔热性能。热膨胀系数结果表明,YSZ的包覆,提高了 La_2Zr_2O_7材料的热膨胀系数,在室温至400℃热膨胀系数为10.24μm/(m·℃),接近 YSZ,远高于纯 La_2Zr_2O_7。通过纳米压痕实验与微裂纹观察,对YSZ包覆La_2Zr_2O_7复合陶瓷的机械性能进行了表征。纳米压痕实验结果表明,复合陶瓷的硬度为8.33GPa,与纯La2Zr207相比变化不大,但弹性模量显著降低到131.53GPa,说明YSZ的包覆,整体上增加了 La_2Zr_2O_7的韧性。微裂纹形貌观察发现YSZ的包覆,使得相同载荷下试样中产生的微裂纹的宽度与长度都相应减小,裂纹走向也更加曲折,裂纹分裂、偏转和搭桥现象更加频繁,使得微裂纹难以扩展,增加了材料的韧性。
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热障涂层的概念于２０世纪４０年代末５０年代初被提出［８］，是指应用于燃气逡逑轮机内部高温部件表面的一种无机涂层，主要起到隔绝高温火焰，降低部件温度，逡逑延长部件使用寿命的作用，其原理如图１－１所示，为了缓解陶瓷层与高温合金基逡逑体之间的热膨胀系数差异，从而提高两者的结合强度，并提高基体的抗氧化能力，，逡逑往往在两者之间制备一个粘结层（ｂｏｎｄ邋ｃｏａｔｉｎｇ，邋ＢＣ）。因此，一般所说的热障涂层逡逑体系包括粘结层和陶瓷层。逡逑冷＿逡逑涂《ｒｒａｃｓ逦离温合！轱浻层陶资湿逦气壀逡逑＇ｔ－：，、＇Ｉ逡逑图１－１发动机叶片上的ＴＢＣ及其原理［９］逡逑最早将热障涂层投入实际应用的是美国ＮＡＳＡ。其生产的Ｘ－１５型火箭飞机逡逑的尾喷管上第一次使用了邋ＴＢＣ涂层，而后，其又在Ｊ－７５型飞机的叶片上使用逡逑Ｚｒ０２－１２Ｙ２０３／ＮｉＣｒＡｌＹ材料的ＴＢＣ涂层，这标志这现代ＴＢＣ技术的开始［１（＼ＴＢＣ逡逑—直是燃气轮机的核心技术之一，进入二十一世纪后，ＴＢＣ技术逐渐成熟并从逡逑秘密研究开始逐渐公开。目前限制ＴＢＣ广泛应用的主要因素是其使用寿命，ＴＢＣ逡逑在服役过程中

出的涂层性能还有待加强。逡逑１．３．１等

本文编号：2598182