高温相稳定化氧化锆粉末及热障涂层的制备和性能研究

发布时间：2020-09-17 21:13

　　 ZrO_2由其优异的物理化学性质,如高硬度、低热容及热导率、高的热膨胀系数、高熔点、稳定的化学性质和较好的抗腐蚀性能等,被视为优异的热障涂层材料之一。其中,纳米ZrO_2粉末表现出更为优异的性质。本文通过溶胶-凝胶法制备纳米ZrO_2粉末,研究其工艺参数、不同稀土元素掺杂(La,Ce,Gd,Yb,Y)、掺杂量和多元掺杂对粉末相稳定性和形貌等影响;选取Yb-YSZ、Gd-YSZ和YSZ粉末经等离子喷涂制备成热障涂层,在1200℃条件下讨论其高温氧化性能及腐蚀性能。主要研究结果如下:(1)以氧氯化锆作为前驱体,采用溶胶-凝胶制备方法,以无水乙醇和水的混合溶液作为溶剂,添加甲酰胺为干燥化学控制添加剂,冰乙酸为螯合剂,采用110℃常压干燥成制得纳米氧化锆ZrO_2粉末。通过研究工艺参数对氧化锆相组成的影响,优化了工艺参数:锆离子浓度为0.025mol/L,甲酰胺与Zr4+之比1:1,醇水比为1:3,凝胶温度为80℃。(2)选取部分稀土元素La、Ce、Gd、Yb和Y的氧化物作为掺杂剂,掺杂量为12%(wt.),通过研究加入不同掺杂剂制备的氧化锆粉末的相组成发现选取的稀土元素均能将四方相氧化锆(t-ZrO_2)稳定在室温。经1300℃下热处理2h后,样品12La、12Yb、12Ce、12Gd和12Y中,四方相的含量(体积分数)分别为5.88%、10.86%、52.22%、74.30%和100%。确定氧化钇稳定氧化锆(1YSZ)粉末的高温相稳定性最佳,能够在1200℃条件下稳定存在。(3)氧化钇的掺杂能够抑制四方相向单斜相的转变,提高氧化锆的热稳定性。在掺杂量低于12%(wt.)时,氧化钇的掺杂量越高,氧化锆的高温相稳定性越好。其中,12YSZ能在1200℃不发生相变。(4)通过对稀土元素(La、Ce、Gd、Yb)协同氧化钇稳定氧化锆(RE-YSZ)粉末研究发现,不同种类的稀土元素稳定YSZ对其四方相的高温稳定性有一定的影响。离子半径与Zr4+相近的稀土元素掺杂YSZ粉末具有更高的四方相高温稳定性。本文成功制备了氧化镧、氧化铈、氧化钆、氧化镱掺杂氧化钇稳定氧化锆粉末并对其相稳定性、晶体生长行为、微观组织形貌和热导率进行了分析。其中,Yb-YSZ粉末能在1300℃下稳定存在,高温相稳定性明显优于所选取的其他稀土元素稳定的YSZ粉末。(5)Yb-YSZ热障涂层的高温抗氧化性能最佳,经1200℃热处理后相组成未发生变化。Yb-YSZ、Gd-YSZ和YSZ热障涂层的高温抗腐蚀性能均表现优异,经1200℃热处理50h后未发现腐蚀产物。
【学位单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG174.4
【部分图文】：

相图,体系,相图,掺杂量

合的范围（８？１５ｍｏｌ％），当Ｙ２０３的掺杂量高于１５ｍｏｌ％时，部分氧化锆将稳定为ｃ－Ｚｒ０２，逡逑出现分相的现象，而当Ｙ２０３的掺杂量低于８ｍｏｌ％时，又会出现单斜相，得不到全稳定逡逑态的／－ＺｒＯＰｌ。据图１．２所示的Ｙ２０３－Ｚｒ０２体系相图。逡逑２５００－逦逡逑Ｖｖ逦Ｃｓｓ逡逑，２００°：邋ｖｖ逡逑＾邋Ｉ５００ｉ逦＼逦－Ｘ．逡逑２逦Ｔｓｓ邋＼邋Ｄ逡逑２逦＼邋Ｔｓｓ十Ｃｓｓ逡逑岂邋１０００．６＝＾１————逡逑Ｉ邋Ｍｓｓ＾邋■、逦．，，逡逑＾逦５００－邋ｔ＾ｍ－＿邋Ｍｓｓ＋Ｃｓｓ邋？逡逑０邋＊＊逦ｔ逦＊邋ｆ逦？邋ｆ逦＞逦，：逦ｆ邋ｉ逦＂邋ｉ逡逑０逦３逦６逦９逦１２逦１５逦１３逡逑ｍｏｉ％邋Ｙ，０，逡逑图１．２Ｙ２０３－Ｚｒ０２体系相图逡逑在Ｃｅ０２－Ｚｒ０２体系中，当Ｃｅ０２的含量为２４？ｌＯＯｍｏｌ％时，Ｃｅ０２和ＺｒＣｈ完全互溶。逡逑其中，ＣｅＣｂ固溶的范围与温度有关，当温度低于１０００°Ｃ时，ＣｅＣｈ的固溶范围缩小为逡逑１０ｍｏｌ％左右。当Ｃｅ０２的量约为１５ｍｏｌ％时

粒径分布,超临界,异丙醇,前驱体

Ｊａｃｏｂ邋Ｂｅｃｋｅｒ等在近临界、超临界水和超临界异丙醇二种状态下分别合成氧化错纳逡逑米粉末，得到的样品粒径均小于ｌ0ｎｍ，且粒径分布集中。当然，不同的工艺参数合成逡逑的氧化锆粉末不尽相同。如图１．３所示，可以选择不同的参数合成５？６ｎｍ的／－Ｚｒ０２或逡逑ｍ－Ｚｘ0２0逡逑１逦？逦Ｃ．Ｗ．．．．．．．「飞．．．．．．邋．邋．．逡逑＿＿逡逑图１．３在超临界异丙醇条件下４００°Ｃ，４５０ｂａｒ及０．０１５Ｍ的Ｚｒ（ＣＨ２ＣＨ：ＯＨ）４前驱体在水中３７５°Ｃ，逡逑４５０邋ｂａｒ邋及邋０．５５Ｍ邋的邋Ｚｒ（ａｃ）４邋的邋ＴＥＭ邋图邋＿逡逑其中，当选择的介质为水、温度为３００°Ｃ，压力设定为１００邋ｂａｒ、２００邋ｂａｒ、２３０邋ｂａｒ逡逑５逡逑

示意图,示意图,自蔓延高温合成法,沉淀法

（２）沉淀法逡逑沉淀法是采用一种或几种可溶性盐溶解于溶剂中，再通过加入沉淀剂使溶液中的离逡逑子分离出来形成沉淀，再经过滤、干燥、锻烧等一系列工艺过程得到所需样品的方法。逡逑沉淀法的工艺简单，工业上较常使用，但沉淀法的制备粉末的影响因素太多且形成的粉逡逑末很容易发生硬团聚现象［５５＞５６］。逡逑（３）燃烧法逡逑燃烧法可根据机制不同分为两种：自蔓延高温合成法和低温燃烧法［５７＿５９］。逡逑自蔓延高温合成法是通过反应物的燃烧产生的热量支持反应的继续进行，通过此循逡逑环持续获得反应所需要的热量来得到产物的方法。此方法的燃烧波蔓延速度极快，且燃逡逑烧过程中发生的化学反应放出的温度极高。此方法由于是利用合成过程中的化学放热来逡逑维持合成所需的温度，因此不需要外界提供能将，具有节能的优点；此外，反应是通过逡逑自身的反应来维持，没有添加外加物质，得到的产品纯度很高；再者，由于其燃烧波的逡逑蔓延速度极快，因而自蔓延高温合成法的反应速度极快，且产量大。此方法的优点很多，逡逑备受关注。目前主要用于合成陶瓷和金属氧化物等。逡逑低温燃烧合成是以有机物为反应物的燃烧合成方法。有机盐在加热时，发生化学反逡逑

【参考文献】