锆酸钆热障涂层陶瓷面层研究进展

随着航空发动机向着高效率、高推重比方向发展,对发动机热端部件表面应用的热障涂层提出更高要求。传统YSZ材料已不能满足更高承温温度和更好隔热能力的需求,新型热障涂层材料的开发和应用受到越来越多国内外学者的关注。锆酸钆材料热导率低,相变温度高,热膨胀系数大,是最具应用前景的热障涂层陶瓷材料之一。基于已公开发表的文献,详细介绍了锆酸钆热障涂层的研究进展。首先,简要介绍了热障涂层材料及制备工艺的研究现状;其次,分别对锆酸钆材料的基本性能与不同工艺制备的锆酸钆涂层性能进行详细论述;最后,探讨了锆酸钆材料存在的问题及采用等离子喷涂-物理气相沉积制备锆酸钆涂层的应用前景。

PS-PVD制备锆酸钆热障涂层及其性能研究

目的采用等离子喷涂-物理气相沉积(PS-PVD)工艺制备出柱状结构完整、力学性能优异的锆酸钆热障涂层。方法以纳米团聚的8YSZ、Gd_(2)Zr_(2)O_(7)(GZO)及(Gd_(0.9)Yb_(0.1))_(2)Zr_(2)O_(7)(GYbZ)粉末为原料,采用PS-PVD工艺在镍基高温合金表面分别制备单层GZO涂层、GZO/YSZ双层结构涂层及GYbZ/YSZ双层结构涂层。采用X射线衍射仪、扫描电镜、能谱分析等检测手段,表征了热障涂层的相组成、微观结构及化学成分变化。采用纳米压痕试验仪测试了涂层的力学性能。采用电子万能试验机测试涂层的结合强度。结果GZO涂层与GYbZ涂层均为缺陷萤石相,涂层均呈现典型的羽毛柱状结构,且柱晶间隙存在大量的未熔粒子。在制备过程中,单层GZO涂层便出现了剥落,双陶瓷层结构中的GZO涂层未剥落但内部存在大量微裂纹,而Yb掺杂的GZO涂层((Gd_(0.9)Yb_(0.1))_(2)Zr_(2)O_(7),GYbZ)内无裂纹存在;和GZO涂层相比,GYbZ涂层具有更高的硬度(5.4 GPa)、杨氏模量(111.6 GPa)和结合强度(41.3 MPa)。结论采用现有的PS-PVD工艺参数,成功制备出柱状结构的单层GZO涂层、GZO/YSZ及GYbZ/YSZ双陶瓷层热障涂层,YSZ作为中间过渡层能改善GZO涂层与粘结层的热膨胀不匹配,而Yb元素的加入,可以有效提高GZO涂层的硬度和结合强度,但同时也会造成涂层的杨氏模量升高。

用于热障涂层的锆酸钆材料研究进展

为了满足新型航空发动机的性能要求,需要开发出能在超高温条件下服役的热障涂层材料。近年来已有多种陶瓷材料被证实在热障涂层领域具有发展前景,在这之中,稀土锆酸盐材料有着高温下热导率较低与稳定性良好的特点,其中又以锆酸钆材料的热导率最低,热膨胀系数最高。概述了锆酸钆材料的结构特点,对其在高温下发生的有序无序转变进行了介绍,总结了原因及变化规律。简要分析了与其他材料相比,锆酸钆材料具有良好热性能的原因;归纳了粉末制备过程中常用的两种方法:固相法与液相法,在此基础上,总结了近年来不同制备方法与粉末团聚过程中工艺与参数的研究现状;最后,提出了锆酸钆材料在实际应用到热障涂层时存在的缺陷:断裂韧性与热膨胀系数较低,这就导致了单层锆酸钆涂层成形难度大,热循环寿命低。针对这一问题,重点综述了国内外对锆酸钆材料及热障涂层的改性方法,主要有掺杂改性、材料复合、涂层结构设计以及涂层制备技术,同时展望了新型热障涂层材料结合先进制备技术的发展趋势。

浅谈高性能锆酸钆粉末的制备

为制备适用于等离子喷涂及陶瓷压制的锆酸钆粉体,本工作以纳米锆酸钆为主要原料,采用喷雾造粒法,制备出了D50=20μm,松装密度为1.82g/cm3的均匀球状锆酸钆粉体。研究了锆酸钆料浆组成以及粉末煅烧对造粒粉末性能的影响,结果表明当有机粘接剂PVA含量为3%,固含量为50%时,粉末流动性好,颗粒均匀,缺陷较少。

采用爆炸喷涂法揭示新型(Sm1-XGdX)2Zr2O7缓烧蚀材料隔热机理

以(Sm1-XGdX)2Zr2O7为研究对象,以微晶蜡作为载体,通过14.5 mm弹道枪膛壁温度测试试验,开展(Sm1-XGdX)2Zr2O7降膛壁温度效果研究。结果表明,在不装填(Sm1-XGdX)2Zr2O7试样的条件下,14.5 mm弹道枪坡膛内壁最高温度为957℃,在装填质量比为1∶2(微晶蜡:钐钆复合物锆酸盐)试样条件下,5发坡膛内壁最高温度的平均值为869℃,降温效果明显。通过半密闭爆发冲刷试验,开展(Sm1-XGdX)2Zr2O7用量及爆炸压力对沉积层的影响研究,包括分散性及化学组成。研究结果表明,在60 MPa和2500 K条件下,随着(Sm 1-X-Gd X)2Zr 2O 7用量的增加,沉积层变厚,沉积层中存在(Sm1-XGdX)2Zr2O7且分散良好;在(Sm1-XGdX)2Zr2O7试样质量比为1∶2及2500 K条件下,随着爆炸压力的增加,沉积层变薄,沉积层中存在(Sm1-XGdX)2Zr2O7且分散良好。最终得出隔热机理为:在高温条件下,试样融化吸收部分热量,同时高压条件形成的气流携带(Sm1-XGdX)2Zr2O7高速冲刷枪管内壁,部分(Sm1-XGdX)2Zr2O7沉积到内壁,在界面结合处形成了一层均匀分布的沉积层,综合起到隔热保护作用.

(Gd_(1-x)Yb_(x))_(2)Zr_(2)O_(7)(x=0,0.1)陶瓷材料的结构与热物理性能研究

利用高能球磨固相反应法制备了(Gd_(1-x)Yb_(x))_(2)Zr_(2)O_(7)(x=0,0.1)陶瓷材料,分别采用X射线衍射仪、场发射扫描电子显微镜、阿基米德原理、热膨胀仪和激光导热仪表征了(Gd_(1-x)Yb_(x))_(2)Zr_(2)O_(7)(x=0,0.1)陶瓷材料的物相结构、微观形貌、体积密度、热膨胀系数和热扩散系数。结果表明:Gd_(2)Zr_(2)O_(7)陶瓷材料为立方烧绿石结构,(Gd_(0.9)Yb_(0.1))_(2)Zr_(2)O_(7)陶瓷材料形成了缺陷型萤石结构,均无杂相存在,Yb_(2)O_(3)的掺杂降低了Gd_(2)Zr_(2)O_(7)的晶胞参数;(Gd_(1-x)Yb_(x))_(2)Zr_(2)O_(7)(x=0,0.1)陶瓷材料的晶粒尺寸约为2μm,晶界清晰,陶瓷材料致密,孔隙率低于1.5%;(Gd_(1-x)Yb_(x))_(2)Zr_(2)O_(7)(x=0,0.1)陶瓷材料的平均热膨胀系数接近,分别为11.05×10^(-6)和10.83×10^(-6)K^(-1)。室温~600℃,Yb_(2)O_(3)的掺杂有效降低了Gd_(2)Zr_(2)O_(7)陶瓷材料的热扩散系数和热导率,但在600℃以上,Gd_(2)Zr_(2)O_(7)和(Gd_(0.9)Yb_(0.1))_(2)Zr_(2)O_(7)陶瓷材料的热扩散系数和热导率接近。