物相组成对稀土硅酸盐环境障碍涂层结构与性能影响研究

发布时间：2020-10-26 23:51

　　 硅基陶瓷材料具有密度低、高温力学性能优良等特点,有望成为新一代航空发动机用部件材料,但其抗高温水蒸气腐蚀性能较差,制备环境障碍涂层(Environment barrier coating,EBC)是解决该问题的关键。稀土硅酸盐具备良好的抗高温水蒸气腐蚀性、热稳定性和合适的热膨胀系数,是最具潜力的环境障碍涂层材料。大气等离子体喷涂技术是制备环境障碍涂层的有效方法。等离子体喷涂过程具有高温、高速、急冷等特点,使得所制备的稀土硅酸盐涂层相组成、显微结构和基本性能发生显著变化,因此研究稀土硅酸盐涂层物相组成变化对其结构与性能的影响较为必要。本文采用大气等离子体喷涂法制备四种RE_2SiO_5(RE=Y,Gd,Er,Yb)涂层,以及通过调节原料粉体Yb_2O_3/SiO_2的摩尔比例,制备不同物相组成的硅酸镱涂层,通过考察涂层的相组成、微观结构、基本热学力学性能和抗高温水蒸气腐蚀性能,探查涂层微观结构与性能之间的关系,同时在硅基陶瓷基体表面构建EBC涂层体系,研究其抗热震性能和失效机理。获得的主要结果如下:1.采用固相烧结法制备四种RE_2SiO_5粉体与多种不同物相组成的硅酸镱粉体。粉体粒度分布均匀、流动性好。采用上述粉体制备涂层,涂层的微观结构均匀,颗粒熔融状态较好。2.四种RE_2SiO_5涂层均含有RE_2O_3和非晶相,具有典型的层状结构,其中Gd_2SiO_5涂层内含有较多微裂纹。四种RE_2SiO_5涂层弹性模量和硬度等力学性能相近,都具有优异的高温相稳定性和优异的抗高温水蒸气腐蚀性能。Y_2SiO_5、Er_2SiO_5、Yb_2SiO_5涂层相比于Gd_2SiO_5涂层,具有与硅基陶瓷基体较为相近的热膨胀系数,热循环过程中产生热应力较小,具有较优的抗热震性能。3.富Yb_2O_3硅酸镱涂层主要由Yb_2O_3和Yb_2SiO_5相组成,结晶度较高,涂层的层状结构明显,片层间结合较差,含有较多的Yb_2O_3柱状晶,涂层内有较多裂纹。富SiO_2硅酸镱涂层主要由Yb_2SiO_5和Yb_2Si_2O_7相组成,结晶度较低,片层间结合紧密,无柱状晶形成,涂层中含有较多气孔。4.富Yb_2O_3和富SiO_2的硅酸镱涂层弹性模量和硬度均低于Yb_2SiO_5涂层。富SiO_2硅酸镱涂层相比于富Yb_2O_3硅酸镱涂层具有较小的热膨胀系数、较高的热导率、较优异的抗热震性能。热循环过程中,产生的热应力是导致富Yb_2O_3涂层失效的主要原因,YSx/Si双层环境障碍涂层中,硅粘结层表面产生的SiO_2氧化层亦加速涂层的失效。不同物相组成的硅酸镱涂层经高温水蒸气腐蚀后,表面均生成致密Yb_2SiO_5层,可有效阻止腐蚀物质向涂层内部扩散,使涂层具有优异的抗高温水蒸气腐蚀性能。5.经高温热处理,富Yb_2O_3硅酸镱涂层的裂纹愈合现象显著,其弹性模量、硬度、热膨胀系数均明显增大。高温热处理的富SiO_2硅酸镱涂层表面生成较大的晶粒并伴随有穿晶裂纹产生,其热导率显著增加。
【学位单位】：中国科学院大学(中国科学院上海硅酸盐研究所)
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG174.4
【部分图文】：

物相组成对稀土硅酸盐涂层结构与性能影响研究示。Smialek 等人[17]研究 SiC 陶瓷在 1200oC、50%H2O/O时间变化呈现先增加后减小的趋势，如图 1.2 所示。图曲线和挥发失重曲线，表明 SiC 陶瓷表面 SiO2层的生到平衡，SiO2层厚度维持不变，基体尺寸不断减小。另SiO2层也易受碱金属熔盐侵蚀，且侵蚀过程中产生大量的较严重，表面形成腐蚀坑，降低了材料强度[20]。

物相组成对稀土硅酸盐涂层结构与性能影响研究2）较好的相稳定性。涂层材料在服役时须经历热循环过程，良好的相稳定在此过程中不会发生相转变，因为相转变的发生会伴随着产生热应力，使过早失效。3）与基体之间应该具有较好的化学相容性。不与基体以及基体表面的 S应。因为化学反应会影响涂层与基体的结合，使涂层过早剥落。4）热膨胀系数（CTE）需要与基体材料相匹配。如果涂层与基体热膨胀系在热循环过程中，涂层与基体不同步地收缩将产生较大的热应力，造成涂剥落。

图1.5环境障碍涂层发展的历程Figure 1.5 Evolution of environmental barrier coating图1.6高温水蒸气腐蚀（1230oC，模拟燃烧环境，2000 cm/s，6 atm）后莫来石涂层[30Figure 1.6 Mullite coating after high temperature water vapor corrosion (1230oC, simulat
【参考文献】

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本文编号：2857702