等离子体喷涂硅酸镱涂层结构与性能研究

发布时间：2020-06-25 04:14

【摘要】：硅酸镱(Yb2Si05和Yb2Si207),具有良好的相稳定性、优异的耐水蒸气腐蚀性能和较低的热膨胀系数,是理想的环境障碍涂层(Environmental Barrier Coating,EBC)材料。论文以上述材料为研究对象,主要研究内容包括:粉体合成、涂层制备、涂层高温稳定性以及涂层结构设计等。采用大气等离子体喷涂技术制备涂层,表征Yb2SiO5和Yb2Si2O7涂层的微观结构和力学热学性能,探究高温环境中涂层结构演化过程及其对性能的影响。设计不同的涂层体系,根据热震和水蒸气腐蚀实验结果,探讨涂层的破坏形式和失效机制。通过以上研究工作,以期开发出具有良好抗热震、抗裂纹扩展、耐高温水蒸气腐蚀且高寿命的环境障碍涂层体系。论文的主要研究结果如下:1.采用固相反应法制备物相单一的Yb2SiO5和Yb2Si2O7粉体。利用APS技术制备涂层,发现喷涂参数对涂层物相和气孔率等微观结构产生较大影响。合理的参数选择可以减少喷涂过程中硅酸镱的分解,并且降低涂层气孔率。2.所制备的Yb2SiO5和Yb2Si2O7涂层结构致密。Yb2SiO5涂层中非晶相初始晶化温度为970℃,非晶相晶化导致涂层发生体积突变和热导率突增现象;Yb2SiO5涂层平均热膨胀系数为7.24× 10-6 K-1,热导率在400℃最小值为0.67 W/(m·K)。在喷涂过程中分解产生的Yb2SiO5多以非晶形式存在于Yb2Si2O7涂层中;在受热过程中,Yb2Si2O7涂层呈线性膨胀,平均热膨胀系数为4.25×10-6 K-1;热导率在 600℃最小值为 0.68 W/(m·K)。3.经高温热处理,Yb2SiO5和Yb2Si2O7涂层微观结构出现明显变化,主要包括晶粒长大和缺陷愈合现象,气孔率明显降低。Yb2Si2O7涂层的晶粒生长速率明显高于Yb2SiO5涂层,Yb2SiO5和Yb2Si2O7涂层的晶粒生长活化能分别为366 kJ·mol-1和219 kJ·mol-1。Yb2Si2O7涂层存在以孪晶和位错滑移为主的塑性变形机制,损伤容限良好;而Yb2SiO5涂层的塑性变形不明显。4.涂层微观结构的变化对涂层的热学和力学性能产生较大影响。两种涂层的硬度和弹性模量和热导率均随热处理温度的升高而增大。Yb2Si2O7涂层的硬度和弹性模量低于Yb2SiO5涂层。Yb2SiO5涂层热导率低于Yb2Si2O7涂层。Yb2Si2O7涂层的热膨胀系数较小且随热处理温度变化不大,Yb2SiO5涂层的热膨胀系数随热处理温度变化明显。5.SiC基体表面的Yb2Si2O7/Si双层涂层体系抗热震性能优于Yb2SiO5/Si涂层体系。当基体材料为SiC、C/SiC和SiC/SiC时,Yb2SiO5/Yb2Si2O7/Si三层涂层体系具有良好的抗热震和抗裂纹扩展能力,这与Yb2Si2O7涂层较低的热膨胀系数、较小的弹性模量以及良好的塑性变形能力密切相关。Yb2Si2O7可能是取代莫来石作为环境障碍涂层体系中间层的理想材料。6.探究了 Yb2SiO5和Yb2Si2O7涂层在1400℃水蒸气环境中腐蚀行为。Yb2SiO5涂层耐水蒸气腐蚀能力较好,但是容易被高温水蒸气中的Al2O3腐蚀;Yb2Si2O7涂层耐水蒸气腐蚀能力不及Yb2SiO5,但不易被Al2O3腐蚀。Yb2SiO5涂层的抗腐蚀性物质渗透能力要好于Yb2Si2O7涂层。7.水蒸气腐蚀热循环实验结果显示,Yb2SiO5/Si和Yb2Si2O7/Si双层涂层体系的Si粘结层易被氧化形成TGO层,TGO层被破坏进而导致涂层失效。Yb2SiO5/Yb2Si2O7/Si涂层体系具有良好的耐水蒸气腐蚀性能,是良好的环境障碍涂层体系。
【学位授予单位】：上海大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ111.17
【图文】：

等离子体喷涂硅酸镱涂层结构与性能研究

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热端部件,发动机,高温结构材料

航空发动机和燃气轮机的发展已列入国家“十三五”规划。其面向高推重逡逑比、高涵道比和高热机效率发展，涡轮前进口温度日益提高，且伴随着热端部逡逑件的质量降低。高温结构材料的发展滞后限制了发动机效率的提升。图１－１显逡逑示涡轮发动机的发展情况和预期目标＾３］。根据当前发展的需要，新一代航空逡逑发动机热端部件表面温度可达１４００邋°Ｃ。而单晶镍基高温合金的最高工作温度逡逑约为１１００邋°Ｃ，Ｎｉ３Ａｌ单晶高温极限为１２００°Ｃ［４］。逡逑Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ逡逑Ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ逦（Ｔ／ＥＢＣ）邋ｓｕｒｆａｃｅ逡逑逦逦

【参考文献】