8YSZ陶瓷在模拟压水堆水环境中的耐腐蚀性能

8%(摩尔分数)Y_(2)O_(3)稳定ZrO_(2)(8YSZ)陶瓷具有优异的氧离子电导率和低热导率,在燃料电池、热障涂层、隔热等领域都有重要应用。然而它作为压水堆的堆内隔热或结构材料,在事故条件下的水腐蚀机制和耐腐蚀性能目前尚不明晰。本研究在350℃/17.4 MPa,0.3μg/L溶解氧(DO)的动水循环模拟压水堆水环境中,系统考察了8YSZ陶瓷的质量、物相、显微结构、力学性能以及溶液成分随腐蚀时间的变化,并探讨了腐蚀机制。研究发现8YSZ陶瓷的质量随腐蚀时间的延长先增大后减小,并会受表面粗糙度的影响。增重归因于水分子进入陶瓷后形成了Zr–OH和Y–OH团簇,而失重是由金属阳离子析出和晶粒溶解所导致的。物相分析显示立方结构的8YSZ腐蚀后未往四方相或单斜相转变,这与四方相或部分稳定的氧化锆的相变失效不同。表面及断面形貌变化显示水分子可沿缺陷或微裂纹进入陶瓷内部,破坏晶界,使受腐蚀影响区域由穿晶断裂变为沿晶断裂。腐蚀前后8YSZ陶瓷的压缩强度和抗弯强度未明显改变,而维氏硬度略有降低,这与陶瓷表层形成的大量腐蚀坑有关。表面抛光样品腐蚀1050 h时的单位表面积的质量变化率为–0.108×10^(–3)mg·cm^(–2)·h^(–1),腐蚀坑深度仅为30.8μm。这些结果表明8YSZ陶瓷具有优良的耐水腐蚀性能,有望用于压水堆内的隔热或结构材料。

不同制备工艺参数对PS-PVD-8YSZ涂层微结构及性能的影响

作为新型热障涂层工艺制备技术,等离子物理气相沉积(PS-PVD)射流具有高能高速等特性,涂层沉积时存在扰流作用导致涂层微结构及性能的显著影响。为了减少圆柱体工装扰流作用,掌握工艺参数对涂层微结构的基本影响规律,采用平面工装系统研究不同PS-PVD工艺参数下,如喷涂电流、送粉量、喷枪摆动及样品旋转参数等对涂层微结构的影响规律。研究结果表明:送粉量和喷枪-样品相对运动参数对涂层微结构影响较大,可快速实现涂层微结构的调控;喷涂电流的变化通过柱状晶尺寸和冷凝纳米颗粒含量等方面影响涂层微结构,涂层显微硬度随喷涂电流增大而降低;喷涂沉积距离的影响较小,喷涂距离增大使沉积效率和柱状晶发散生长程度降低,冷凝纳米颗粒含量提高,同时涂层显微硬度呈现先降低后升高的趋势。JL-11NP粉末表现出宽幅工艺范围内准柱状结构的获得能力,进一步掌握低沉积电流工艺条件下基于气-固-液三相复合沉积的影响规律。开展了低电流工艺参数条件下PS-PVD涂层的微结构调控及沉积机制研究,研究成果可为兼顾隔热和寿命、抗冲蚀的涂层性能结构优化及调控奠定良好基础。

脉冲激光沉积法制备YSZ薄膜的导电机制

YSZ薄膜氧气传感器的微型化和高灵敏度是其未来的发展趋势,厘清氧离子在薄膜中的输运机制是提高氧气传感性能的关键。鉴于此,本研究采用脉冲激光沉积技术在单晶Si(100)衬底上制备了YSZ薄膜,并采用X射线衍射、扫描电子显微镜、X射线光电子能谱等技术研究了薄膜制备工艺对其成分、结构和导电特性的影响。研究结果显示YSZ薄膜结构呈多晶立方相,退火温度对YSZ薄膜的性质有显著的调控作用。一方面,高温退火使薄膜的平均晶粒尺寸显著增大,因而能大幅提高薄膜的电导率;另一方面,退火又调控了薄膜中的Zr、Y、O元素的含量比,且当O含量增加时,薄膜的电导率降低。此外,本研究还表明,YSZ薄膜经高温退火(T≥1073 K)后,呈现典型固体电解质的离子导电特性。进一步地,在313 K至873 K范围内,YSZ薄膜具有两个温度拐点,预示其存在三种导电机制。经计算,YSZ薄膜在高温段的激活能与文献报道相符。本研究对脉冲激光沉积制备特定需求的YSZ薄膜提供了一定的技术参数。

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。

高比表面积3YSZ粉体注射成型工艺参数优化及制品力学性能

为解决高比表面积的3YSZ陶瓷粉末难以应用于注射成型工艺的问题,以比表面积为18 m^(2)/g的3YSZ陶瓷粉末为原料,以生坯质量为正交试验的评价标准,优化得到了最优注射参数,并对烧结制品的力学性能进行了研究。结果表明:参数影响力的顺序为注射压力>保压时间>注射速度>注射温度,适用于该粉体的最优注射参数为注射温度165℃,注射压力110 kg,注射速度为85 g/s,在70 kg下保压1 s。将使用该工艺得到的生坯脱脂后,于1350℃下烧结即可得到相对密度为98.5%,维氏硬度为13.42 GPa,断裂韧性为6.47 MPa·m^(1/2)的四方多晶氧化锆陶瓷。

Gd-Sc(Yb)-YSZ陶瓷涂层的隔热性能及抗CMAS热腐蚀性能研究

采用两步水热法制备了组成分别为Zr_(0.87)Y_(0.07)Gd_(0.02)Sc_(0.04)O_(1.94)(Gd-Sc-YSZ)和Zr_(0.87)Y_(0.08)Gd_(0.03)Yb_(0.02)O_(1.94)(Gd-Yb-YSZ)的两种含有半空心球的陶瓷粉末。将上述陶瓷粉末造粒并通过大气等离子喷涂在渗铝涂层表面分别制备两种陶瓷层,组成了陶瓷层/渗铝层/NiCrAlY/DZ40M热障涂层,并分别测试了这两种热障涂层和传统YSZ涂层在热源温度1050℃和1400℃下的隔热温度及在1250℃下的抗CMAS热腐蚀性能。结果表明:Gd-Yb-YSZ和Gd-Sc-YSZ两种涂层在1400℃保温6h后其表面完好且没有脱落,两种涂层主要由亚稳四方相(t'-ZrO_(2))组成,这说明这两种涂层均有望在1400℃长期使用,在此高温条件下渗铝层对陶瓷层在NiCrAlY合金表面的黏结稳定性具有关键作用。在1050℃和1400℃热源条件下,相比于YSZ涂层,Gd-Yb-YSZ、Gd-Sc-YSZ涂层的隔热温度更高,且其热导率仅为YSZ涂层的0.35~0.5倍,即通过掺杂Gd、Yb、Sc,YSZ涂层的隔热效果显著提升。YSZ涂层经历1250℃的CMAS热腐蚀1h后发生边缘脱落,Gd-Yb-YSZ涂层在6h后仅中央变粗糙,而Gd-Sc-YSZ涂层6h后仍完好无损。Gd-Sc-YSZ和Gd-Yb-YSZ涂层的抗CMAS热腐蚀性能远优于YSZ涂层,特别是Gd-Sc-YSZ涂层。

复合多孔YSZ陶瓷隔膜在水系锌离子电池中的应用

水系锌离子电池因其优秀的安全性和较高的容量密度而受到了大量的关注,但水溶液中易快速生长的树突状锌枝晶对水系锌电池的发展构成了明显的阻碍。传统玻纤隔膜因结构稳定性较差而易受枝晶穿透。为此,通过多孔陶瓷制备工艺烧制获得了主要孔径尺寸在6μm左右、孔隙率达45.8887%的多孔YSZ陶瓷片。多孔YSZ陶瓷稳定的孔隙结构有效提升了电池的循环寿命,实验中基于多孔YSZ隔膜的水系锌离子电池在1 mA·cm^(-2)的电流密度下保持了763 h的稳定循环。同时,尝试使用界面修饰的方法对陶瓷隔膜进行改进,最终发现使用单侧覆碳称量纸作为陶瓷隔膜与电极间的修饰层能进一步提升电池的循环时长,复合陶瓷隔膜对称电池在同等电流密度下的循环时间达到了1016h。稳定的陶瓷孔隙与极低的电子导通性有效减缓了锌枝晶的生长速度,而牢固且导电的界面修饰层起到了均匀界面电场分布的作用,因此复合陶瓷隔膜表现出了优秀的水系离子电池稳定性能。

等离子喷涂Cr_(2)O_(3)/8YSZ复合涂层微观组织及抗热冲击性能研究

为了探究Cr_(2)O_(3)/8YSZ复合涂层高温性能,利用等离子喷涂技术在Q235钢表面制备了4种不同混合比例的Cr_(2)O_(3)/8YSZ复合涂层(8YSZ含量分别为50%,30%,20%,0%)。通过热场发射扫描电镜对涂层的形貌进行SEM表征并对涂层的截面元素分布进行EDS线扫,采用X射线衍射仪分析复合涂层的物相组成,利用表面轮廓仪测量了复合涂层的表面粗糙度,使用全自动显微维氏硬度计对涂层的显微硬度进行测量,采用划痕仪对涂层的抗划伤性能进行对比,利用Gleeble-3800热物理实验模拟机对涂层的抗热冲击性能进行测试,并对热冲击之后的截面形貌进行观察分析。结果表明,当Cr_(2)O_(3)与8YSZ比例为7∶3时,由于8YSZ对垂直裂纹的偏转作用以及涂层内部存在的孔隙和裂纹对热应力的释放作用,该样本涂层具有较好的抗热冲击性能。

莫来石晶须增强Al_(2)O_(3)-8YSZ陶瓷涂层的制备和性能

莫来石晶须(3Al_(2)O_(3)·2SiO_(2))由于结晶完美,具有良好的性能,如低的热膨胀和导热性,较高的热稳定性,高的抗蠕变和腐蚀稳定性,以及合适的强度和断裂韧性,使其成为需要耐高温和耐腐蚀性能应用的合适材料.探讨晶须增强Al_(2)O_(3)-8YSZ陶瓷涂层的制备和性能.通过莫来石晶须的增韧作用,提高了陶瓷涂层的硬度,对陶瓷涂层的结构具有明显的改善.

LaFeO_(3)/8YSZ复合涂层热物理参数测试及应力场分析

大气等离子喷涂工艺制备的热障隐身一体化涂层材料在航空发动机热端部件上有着重要的应用前景。针对LaFeO_(3)/8YSZ复合涂层大气等离子喷涂工艺参数优化问题,首先制备了纯LaFeO_(3)涂层,并完成了1150℃下涂层热物理参数高温表征;建立了LaFeO_(3)/8YSZ复合涂层有限元模型,重点分析了制备温度和涂层厚度比对样品残余应力的影响。结果表明:随着制备温度的升高,LaFeO_(3)和8YSZ涂层的面内压应力逐渐增大;LaFeO_(3)涂层面内应力从150℃时的-96 MPa变化到250℃时的-152 MPa,类似地,8YSZ涂层面内应力从-48 MPa增大到-86 MPa;压应力状态有利于延长涂层在高温服役环境下的使用寿命。由于LaFeO_(3)的热膨胀系数与8YSZ接近,在给定涂层总厚度为1.0 mm的条件下,LaFeO_(3)/8YSZ厚度比的变化对双层涂层的残余应力的影响不大。

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。

YSZ-Al_(2)O_(3)基陶瓷膜片的制备及性能研究

YSZ-Al_(2)O_(3)基陶瓷是一种高灵敏度柴油车用氮氧传感器陶瓷芯片,属于气敏陶瓷制造技术领域。采用传统水基流延及HTCC高温多层共烧方法制备了氮氧传感器陶瓷芯片,并且研究了Al_(2)O_(3)对YSZ陶瓷的相结构、电性能等影响。本文主要研究了氮氧传感器的YSZ基陶瓷芯片,并且主要对加热器绝缘层上下的陶瓷的YSZ-Al_(2)O_(3)基体材料进行了制备研究,包括材料表征,绝缘性、电性能等。随着Al_(2)O_(3)的加入,能够得到致密的YSZ基体陶瓷材料,同时研究了随着Al_(2)O_(3)掺杂量的变化,对其绝缘层陶瓷导电性即绝缘性的影响,最终制备出绝缘性良好的YSZ-Al_(2)O_(3)陶瓷材料,其中上过渡层的主体材料中Al_(2)O_(3)的掺杂量为15%~25%,中间过渡层的主体材料中Al_(2)O_(3)的掺杂量为40%~55%,下过渡层的主体材料中Al_(2)O_(3)的掺杂量为75%~85%。本文膜片之间的烧结匹配性良好,明显提高了加热器层的绝缘性能,无漏电现象,最终获得了芯片输出电流信号IP0值稳定状态的氮氧传感器芯片。

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。

La_(2)Zr_(2)O_(7)-8YSZ热障涂层活塞温度场分析

以车用发动机活塞为研究对象,基于有限元方法建立热障涂层活塞的La_(2)Zr_(2)O_(7)-8YSZ双陶瓷层模型,研究无涂层和双陶瓷层热障涂层活塞的温度场分布,及陶瓷面层与底部陶瓷层厚度对陶瓷层和活塞基体的影响规律。研究结果表明:La_(2)Zr_(2)O_(7)-8YSZ双陶瓷层热障涂层活塞基体最高温度为252℃。陶瓷面层和底部陶瓷层最高温度分别可达417℃和344℃。与无涂层活塞相比,涂层活塞基体温度下降16℃,燃烧室温度显著提高。陶瓷面层厚度及底部陶瓷层厚度分别从100μm增加到300μm,均可导致陶瓷面层温度升高,底部陶瓷层和活塞基体温度下降。

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。

8YSZ热障涂层结构设计及其结合强度变化规律

目的探究不同厚度的黏结层和陶瓷层对8YSZ热障涂层结合强度的变化规律。方法采用大气等离子喷涂技术(APS)在Ti-6Al-4V合金基体表面分别制备了不同厚度的黏结层和陶瓷层等6种双层结构涂层。利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)和X射线荧光分析仪(XRF)等检测手段对喷涂粉末和涂层的相组成、微观结构及化学成分变化进行表征。借助万能材料试验机分别对6种不同厚度涂层的结合强度进行测量和评估。结果不同厚度的8YSZ陶瓷粉末在喷涂过程中主要从单斜相(M)向四方相(T)转变。此外,不同厚度的热障涂层都呈现出典型的层状结构,涂层表面存在着完全熔融态、半熔融态和未熔态等3种复杂状态,且都存在不同程度的裂纹和孔隙。涂层结合强度随黏结层厚度的增加会有些许增大,而随陶瓷层厚度的增加逐渐下降,且陶瓷层厚度越大结合强度下降得越缓慢。在所有涂层试样中,当黏结层最厚且陶瓷层最薄时涂层结合强度最大,超过29.7 MPa;而当黏结层最薄陶瓷层最厚时涂层结合强度最低。结论8YSZ热障涂层的黏结层和陶瓷层厚度变化对涂层的物相组成以及化学成分无明显影响,而对涂层结合强度以及断裂方式产生显著影响。

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)。

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。