等离子喷涂YSZ热障涂层的工艺研究

目的优化大气等离子喷涂工艺,提高热障涂层的耐腐蚀性能与热循环寿命。方法设计正交试验,制备出不同工艺参数的YSZ涂层。用共聚焦显微镜、X射线衍射仪、能谱分析仪对涂层的表面粗糙度、表面与截面形貌、元素组成与分布进行表征,用ImageJ软件分析涂层的孔隙。根据试验数据优化工艺参数,对比分析工艺优化前后涂层的耐腐蚀性与热循环寿命。对涂层进行热震水淬试验,分析涂层的热震寿命与失效行为。结果不同工艺下制备的涂层在孔隙、耐熔盐腐蚀与热循环寿命方面存在明显差异,工艺参数W3X3Y1Z3组合为优化出的喷涂工艺。采用优化后工艺所制备的涂层TBC-1,孔隙率为9.65%,平均孔隙尺寸为6.18μm^(2),未观察到明显的大孔与裂纹。涂层表面粗糙度为3.48μm,粉末熔化状态较好。热腐蚀之后,涂层截面熔盐元素V的质量分数为2.03%,无熔盐积聚现象。涂层经20次热腐蚀与热冲击联合试验后,质量损失率为0.25%,表面完整,无明显剥落。TBC-1在热震试验中的失效形式为涂层大面积剥落,失效次数为172次。结论等离子喷涂的工艺参数对涂层的综合性能有重要影响,涂层中较大的裂纹和孔隙可作为熔盐的渗透途径,加速涂层的腐蚀,同时使热循环寿命变差。经优化后工艺制备的涂层,内部孔隙分布均匀,且平均孔隙尺寸较小,表现出良好的耐腐蚀性与热循环寿命。涂层中热生长氧化物(TGO)的生长应力、陶瓷层与黏结层的热失配应力是涂层中裂纹扩展和涂层失效的重要原因。

基于NCO-YSZ半导体-离子导体复合电解质导电率探究

导电率作为验证材料属性的关键步骤,具有十分关键的作用,如助力研究人员了解材料导电性能的同时反映材料内部的结构和缺陷,继而让其更好地对材料进行评估或更有针对性地应用。在此基础上,将研究复合离子导体YSZ与P型半导体Na_(x)CoO_(2),所得到NCO-YSZ半导体-离子导体复合电解质的导电率,为对相关人员降低YSZ基SOFC的操作温度,增加中低温区离子传导率,提供一定思路。

粉体制备工艺对Gd、Yb改性YSZ热障涂层性能的影响

随着航空航天技术的快速发展,飞行器热端部件的服役温度越来越高,YSZ热障涂层已经无法满足目前航空发动机热端部件的服役需求,稀土元素钆(Gd)与镱(Yb)对YSZ进行掺杂得到的Gd_(2)O_(3)-Yb_(2)O_(3)-Y_(2)O_(3)共稳定氧化锆(GYYZO)被广泛认为在超高温工况下具有广阔的应用前景。采用固相反应法与化学沉淀法分别制备了两种球形GYYZO粉末,并采用大气等离子喷涂法制备了两种GYYZO陶瓷热障涂层,研究了粉末制备工艺对粉体结构以及涂层结构与性能的影响。结果表明,在相同喷涂参数下,基于化学共沉淀合成GYYZO粉体制备涂层顶层孔隙率更高,该涂层比固相反应合成GYYZO粉体制备的涂层具有更好的抗热震性能。

Al_(2)O_(3)覆盖层制备工艺对YSZ涂层耐熔盐腐蚀性能的影响

高密度石墨(HDG)由于其良好的抗热震性和高温强度,被认为是极具应用前景的坩埚候选材料之一。然而,熔盐电解法处理乏燃料过程中,高密度石墨坩埚会与高温氯化物熔盐、乏燃料等具有腐蚀性的介质直接接触,从而对坩埚造成腐蚀,影响坩埚的稳定性和使用寿命。坩埚表面等离子喷涂的氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)涂层被证实具有优异的性能,但是涂层本身所存在的孔洞、裂纹以及液滴等缺陷严重制约了YSZ涂层在高温下的性能。因此,通过密封处理方法来提高涂层的致密度显得尤为迫切。本文利用磁控溅射(PVD)法和金属有机分解(MOD)法在等离子喷涂的氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)涂层表面制备了Al_(2)O_(3)覆盖层,研究了这两种方法制备的Al_(2)O_(3)覆盖层对YSZ涂层在NaCl-KCl熔盐中的抗腐蚀性能的影响,并利用SEM、EDS、XRD等对腐蚀前后涂层的形貌以及微观结构进行了详细表征。结果表明:PVD法制备的Al_(2)O_(3)覆盖层主要分布于YSZ涂层表面,使其表面致密度得到一定程度提升,但涂层内部的致密度以及耐蚀性能并没有得到显著提升;MOD法制备的Al_(2)O_(3)覆盖层可有效填充YSZ涂层表面的缺陷,如裂纹、孔洞等;同时MOD前驱体溶液固有的浸润性使得前驱体容易渗透进入涂层内部,进而有效填充YSZ涂层内部的缺陷,从而提高涂层的致密度。以上结果表明,采用MOD法制备的Al_(2)O_(3)覆盖层使YSZ涂层的耐蚀性能得到了显著提升,同时Al_(2)O_(3)覆盖层的存在也有效减少了涂层内部稳定剂的消耗。

TiAl合金表面TiAlCrY/YSZ涂层高温长时间服役性能

TiAl合金具有低密度、高比强度的优异性能,是一种潜在的航空发动机用结构材料。TiAl合金的服役温度范围为700~900℃,在其表面制备高温热防护涂层可以进一步提高服役温度。本研究采用等离子喷涂技术在TiAl合金表面制备了新型TiAlCrY/YSZ涂层,并与传统的NiCrAlY/YSZ热障涂层进行高温长时间服役性能对比研究。结果发现,TiAlCrY/YSZ涂层在1100℃空气环境中服役300 h保持完好,表现出良好的高温性能,而NiCrAlY/YSZ涂层在1100℃的服役寿命不足100 h。显微分析结果表明,TiAlCrY黏结层表面会形成一层连续且致密的TGO,其主要成分为Al2O3,与YSZ涂层的界面兼容性良好。并且TGO在1100℃空气环境中服役300 h后,厚度仍<8μm。以上研究表明,与传统NiCrAlY/YSZ热障涂层相比,TiAlCrY/YSZ更适合作为TiAl合金表面的高温热防护涂层。

PS-PVD制备YSZ热障涂层抗熔盐腐蚀研究

为提高舰船燃气轮机上热障涂在海洋环境中层的工作寿命,研究了新型热障涂层在模拟海洋环境下的腐蚀性能。采用等离子喷涂-物理气相沉积(PS-PVD)技术,在已喷涂粘结层(NiCoCrAlY)的DZ40M高温合金基体上制备7YSZ陶瓷层,然后用Na2SO_(4)(质量分数45%)+V2O5(质量分数55%)混合熔盐在1050℃下对涂层进行腐蚀实验。利用场发射-扫描电镜、X射线衍射仪、能谱仪对涂层表面和截面的组织结构及1050℃高温熔盐腐蚀后涂层的物相组织和熔盐渗透深度进行了分析。研究结果表明,硫酸盐与钒酸盐的混合盐对涂层中的TGO层破坏显著,t′-ZrO_(2)相变与TGO的生长是导致涂层脱落的主要原因。

黏结剂与塑化剂含量对YSZ流延膜带制备及陶瓷电学性能的影响

在高温共烧陶瓷(HTCC)工艺制备厚膜陶瓷器件的过程中,流延添加剂(黏结剂与塑化剂)是影响陶瓷性能的重要因素之一。系统地研究了添加剂含量对钇稳定氧化锆(YSZ)流延浆料黏度、膜带厚度及陶瓷的收缩率、相对密度、电导率及机械强度的影响。结果表明:添加剂含量的增加会使流延浆料黏度上升、膜带厚度下降,烧结过程中陶瓷线收缩率与热失重增大,烧结后的陶瓷密度降低,导致了其抗弯曲强度及电导率的下降,氧离子迁移活化能则随之增大。当添加剂质量分数为12 wt.%时,YSZ陶瓷的相对密度最高达到98.95%,此时陶瓷电导率最高,活化能最低(0.9456 eV)。

全稳定四方相YSZ热障涂层的飞秒激光打孔工艺研究

激光打孔是对带热障涂层高温合金冷却孔加工的重要方法。采用球形薄壁空壳全稳定纳米t’-YSZ粉体进行了全稳定四方相热障涂层的制备,并使用飞秒激光对热障涂层进行气膜孔加工。通过X射线衍射、扫描电子显微镜对涂层形貌、相组成和元素成分等进行分析。结果表明,飞秒激光制备的孔型规则,无重铸缩孔。涂层中各界面未开裂,说明涂层在加工中保持了良好的结合力。高温合金中元素成分的分布未受激光打孔的影响,说明合金基材保持了较好的化学稳定性。热障涂层经过1050℃水淬100次考核后,气膜孔形状依然保持完好,涂层未发生脱落,这说明加工了气膜孔的t’-YSZ涂层具有高抗热震性能。

YSZ热障涂层的综合性能提升途径和展望

氧化钇稳定氧化锆热障涂层(YSZ TBCs)综合性能优异,是当前航空航天领域应用最为广泛的热障涂层。传统的YSZ TBCs难以在1200℃以上长期服役,有必要采取措施进一步提升其性能。简要介绍了YSZ TBCs的发展历史,重点从掺杂改性、结构优化、工艺优化等方面对YSZ TBCs的性能提升途径进行了综述,最后根据YSZ TBCs的研究现状对未来的发展方向进行展望。

孔隙率对YSZ涂层性能的影响

本文采用高能等离子喷涂方法制备了孔隙率为14.03%~28.22%的多孔YSZ涂层,研究了喷涂工艺参数对涂层孔隙率以及涂层基本性能的影响。结果表明:随孔隙率的增加,涂层的硬度和结合强度整体呈现下降的趋势,孔隙率14.03%时硬度为92.4 HR15Y,孔隙率26.04%时硬度降低到84.2 HR15Y,强度则由9.62 MPa降低到5.03MPa;涂层在1060℃下抗热震次数呈现先明显增加后降低的趋势,当孔隙率为26.04%时,涂层在464次水冷热震后保持完好,涂层抗热震性能最优。

SOFC电解质薄膜YSZ制备技术

综述了固体氧化物燃料电池 (SOFC)电解质薄膜YSZ的制备方法 ,通过EPD、APS、VPS、EVD、Sol Gel和流延、轧膜、丝网印刷等方法都可以制备YSZ薄膜。从成膜质量上比较 ,APS、VPS、EVD等方法制得的YSZ薄膜气密性好 ;从生产成本上分析 ,由高到低依次是VPS、APS、EVD、Sol Gel和流延、轧膜、丝网印刷等陶瓷成膜方法。目前 ,制备YSZ电解质薄膜使用较多的是APS、EVD ,最适合大工业化生产、成本低廉的是陶瓷薄膜成型方法 。

Fe_2O_3/YSZ-γ-Al_2O_3催化剂在甲烷催化燃烧中的催化性能研究

以 Fe2 O3 为活性组分 ,γ-Al2 O3 ,Zr O2 -γ-Al2 O3 及 YSZ-γ-Al2 O3 ( YSZ是用 Y2 O3 稳定 Zr O2 的催化剂载体 )为载体 ,制备了 3种甲烷燃烧催化剂 .其中以 YSZ-γ-Al2 O3 为载体的催化剂催化性能最好 .XPS检测发现 ,Zr O2 和 Y2 O3 的存在可以增加和稳定 Fe2 O3 的表面浓度 ,同时也可减弱 Fe2 O3 与γ-Al2 O3 之间的相互作用 .Fe2 O3 质量分数为 1 0 %的 Fe2 O3 /YSZ-γ-Al2 O3 催化剂具有最佳的催化活性 .XRD测试结果表明 ,该催化剂的活性与 Fe2 O3 在载体上的分散状况有关 .

YSZ纳米粉料流延成型电解质薄膜性能研究

探索了以YSZ纳米粉体为原料,采用流延成型的方法制备YSZ电解质薄膜的工艺过程,具体探讨了不同粒度粉体流延后坯体的性能,结果表明,纳米范围内颗粒粒度粗可以获得致密度较高的坯体。但在烧结过程中,细粒度粉料表现出更好的性能,实验制备的YSZ电解质薄膜的面积比电阻在1123K,比德国D样品大幅度下降。573～1023K的阻抗谱显示出实验制备的YSZ电解质试样的晶粒、晶界和电极处的阻抗都明显降低,综合性能明显优于国外同类产品。流延成型工艺可以获得尺寸为100mm×100mm×0.125mm的8YSZ电解质薄片,这为平板式SOFC在中国的快速发展做好了材料上的准备。

缓冲溶液法制备SOFC用Ni/YSZ负极材料

固体氧化物燃料电池 (SOFC)用负极材料Ni/YSZ金属陶瓷的性能与其微观结构密切相关 .采用缓冲溶液法制备了三种Ni/YSZ金属陶瓷 ,并对其相组成、显微结构及电性能进行了表征 .分析表明 ,与机械混合法相比 ,缓冲溶液法能够使Ni在YSZ基质中分布更均匀 .相应地 ,在整个测试温度区间内 (836～1188℃ ) ,由缓冲溶液法制备的w (Ni)为 43 %的试样B - 43的电导率均远高于由传统的机械混合法制备的同一组成的试样M - 43.B - 43试样在 10 0 0℃的电导率为 70 9.73S·cm-1。

锆基陶瓷热障涂层的腐蚀研究进展

近年来随着航空与航海工业的迅速发展,具有耐高温、长寿命、耐腐蚀等优势的发动机叶片成为开发新一代航空发动机和涡轮发动机的重要一环。热障涂层(TBCs)作为常用的热防护技术,一方面可为发动机叶片部分金属基底提供隔热保护,使其免受高温气体的影响;但另一方面,更高的发动机工作温度使得叶片及其表面TBCs遭受严重的环境沉积物腐蚀,造成过早失效,腐蚀类型主要有热腐蚀、CMAS腐蚀、熔盐腐蚀等。腐蚀已成为限制TBCs工作温度和服役寿命的难题,抗腐蚀防护是目前TBCs领域研究的重点。本文首先简述了以氧化钇稳定氧化锆陶瓷(YSZ)为主的热障涂层材料的主要特性,再简述了TBCs的不同腐蚀的反应机理,重点从涂层的微观结构设计、梯度涂层的设计、涂层成分改性及掺杂改性等方面与涂层腐蚀过程之间的影响关系出发,阐述了TBCs改性方法与涂层腐蚀的特点。提出未来涂层改进与防护的几种方法,最后对TBCs的腐蚀防护发展方向进行了展望。

CMAS渗入对等离子喷涂YSZ热障涂层形貌的影响

研究了等离子喷涂不同结构YSZ涂层在CMAS渗入作用下的形貌演变规律。对带有模拟CMAS沉积物的YSZ涂层进行高温热处理试验,并在低CMAS输送量条件下对YSZ涂层进行冲刷试验,试验后涂层均出现了严重的层间剥离失效。通过试验前后涂层的截面形貌及Raman光谱分析,结果表明:涂层的显微形貌变化主要表现在高温下熔融态CMAS沿涂层表面微裂纹和孔隙渗入内部,引起YSZ陶瓷层孔隙收缩、表层致密化,同时在涂层表面粘附的CMAS耦合作用下,YSZ涂层表层中产生大量横向微裂纹和明显分层;另外,YSZ涂层表层在CMAS中溶解并导致YSZ加速相变失稳也是影响涂层形貌变化和过快失效的因素之一。CMAS沉积层厚度增加时,同等条件下CMAS对涂层失效的影响会加剧。

YSZ陶瓷膜流延等静压复合成型新工艺研究

本文报道了ＹＳＺ陶瓷膜流延等静压复合成型的新工艺．研究了等静压对素坯膜和烧结膜材密度及显微结构的影响规律及电学性能的变化．指出对流延素坯膜进行等静压，工艺过程不复杂，但可使素坯的成型密度提高８％～１１％，同时烧结膜材的相对密度可提高５％～１０％

真空注浆法制备YSZ电解质膜管及其在固体氧化物燃料电池中的应用

以吡啶为分散剂，采用真空注浆法制备出膜厚为 0．2 mm、长度为 140 mm的致密 YSZ电解质膜管。研究了烧结温度对样品致密度和离子导电率的影响．用1650℃烧结2h 制备的致密YSZ电解质膜管组装成固体氧化物燃料电池，以氢气和煤气为燃料，研究了电池在500～900℃的电化学性能．实验结果表明，用真空注浆法可制备出高质量和高密度的YSZ电解质膜管，在1600℃烧结后，其相对密度已达到理论密度的 98．1％，接近理论密度．单电池的开路电压最大值为1．213 V，最大输出功率为0．48 W．以氢气为燃料的燃料电池性能明显高于以煤气为燃料的电池性能．

沉淀法合成NiO及NiO-YSZ阳极性能

用硝酸盐-氨水沉淀法合成了NiO纳米粉体,X-射线粉末衍射结果表明样品为面心立方结构,颗粒的平均粒径为23nm。以此纳米NiO为原料,制备NiO-YSZ阳极,阳极的高温烧结收缩比YSZ电解质小6%。高温H2还原电阻测量表明该阳极在700℃时10min完成还原,电导率为570S/cm。在NiO-YSZ阳极上用离心沉积方法制备了一层厚12μmYSZ薄膜,扫描电子显微镜测试结果表明阳极和电解质薄膜之间的接触良好。采用Sm0.2Ce0.8O1.9浸渍的La0.7Sr0.3MnO3阴极,单电池在750℃时的最大比功率为0.52W/cm2,测试结果还表明该阳极具有合理的孔隙率:说明采用硝酸盐-氨水沉淀法合成的NiO可以应用于制备固体氧化物燃料电池的阳极。

共沉淀喷雾干燥法制备YSZ粉料及其对烧结密度的影响

用共沉淀结合喷雾干燥法制得了可直接用于煅烧、成型的Y_2O_3稳定的ZrO_2粉料。用扫描电镜观察了喷雾干燥得到的粉料团聚体的尺寸、形貌,以及与喷雾干燥条件的关系。发现了共沉淀悬浮液的球磨对喷雾干燥后粉料的热行为的影响。喷雾干燥制得的粉料在1350、1500℃烧结后,相对密度分别达96.5％、97.8％;而烘箱干燥的粉料在相应温度下烧结,相对密度只达88％、93％。