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。

电化学沉积法制备钇稳定ZrO_2(YSZ)薄膜

The yttria-stabilized zirconia(YSZ)film was fabricated on the La 0.8 Sr 0.2 MnO 3(LSM)substrate by electrochemical deposition.The effects of electrochemical deposition conditions on morphological structure of Y(OH) 3 -Zr(OH) 4 film were studied.The optimal conditions for depositing homogeneous and compact hydroxide film were obtained.The experimental results show that the density of the electrophoretic deposition film is increased remarkably if electrochemical deposition is applied to fill in the pores.

离心沉积法制备YSZ薄膜及其性能

用离心沉积方法在NiO-YSZ阳极基底上沉积了氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)薄膜,并在1 400℃烧结达到致密;用SDC的硝酸盐浸渍改进的LSM作为阴极,组装燃料电池。阳极通入干燥的H2作燃料,阴极直接暴露在空气中,单体电池在650℃的开路电压(OCV)为1.059 V,说明薄膜是完全致密的;800℃时的最高功率密度为535 mW/cm2。800℃时的阻抗谱表明,通过改变阳极端的气氛,可以区分出阴、阳极的阻抗。

Pt/YSZ氧传感器的电极电阻和响应特性

应用两电极直流极化法测定了氧传感器在380～800℃中的Pt，空气／YSZ电极电阻，从交流低频阻抗测量外推法测得YSZ的体电阻，可以将YSZ的直流极化从电极的过电位中区分出来．Pt，空气｜（ZrO2）0．93（Y2O3）0．07｜空气，Pt，电池的直流极化1gI-η作图得出，电极电荷传递系数为2．YSZ体电阻、Pt，空气／YSZ电极电阻和电极交换电流对温度的Arrhenius图，在600℃和570℃附近存在着类似的活化能变化．测量表明；700℃时，氧传感器的测量响应时间2．5s．

用电泳沉积-电沉积联合法制备二氧化锆(YSZ)薄膜

先用电泳法在掺锶锰酸镧（Ｌａ_０．８Ｓｒ０．２ＭｎＯ_３－ＬＳＭ）基片沉积一层忆稳定二氧化锆（ｙｔｔｒｉａ-ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ ｚｉｒｃｏｎｉａ-ＹＳＺ）薄膜，在烧结后的电泳薄膜上进行若干次电沉积和烧结，以封堵薄膜中孔隙进行．上述联合法综合了电泳沉积薄膜附着力强，烧结时不龟裂的优点和电沉积薄膜的颗粒细，易烧结性的优点，较好地解决了电化学沉积膜难以烧结致密的问题．制备出的薄膜致密性高，厚度为８～１４μｍ．

Pt/YSZ电极结构老化特性研究

借助于I-V极化曲线、交流阻抗测试及电子扫描电镜等技术和设备,对以Y2O3稳定ZrO2多晶固体氧离子导体(YSZ)为基体的Pt/YSZ电极结构电学性能和电极形貌随时间的老化变化特性进行了研究;为定量表述电极形貌的变化特性,作者提出了一种有关Pt/YSZ电极结构电极界面的形貌模型,采用此模型对不同老化时间下的电极Pt/空气/YSz三相界面的长度进行了定量计算.实验测试、理论模型计算等结果都表明:Pt/YSZ电极结构的电学性能和电极形貌均随老化时间出现了明显的变化.

电化学方法在钛表面制备Co-YSZ/HAp纳米复合涂层

采用复合电沉积和电泳沉积两步法在钛基体上制备了Co-YSZ/HAp纳米复合涂层,与只采用电泳沉积法在钛基体上制备纳米HAp单一涂层进行了比较研究.采用场发射扫描电镜、X射线衍射和能量散射谱对复合涂层的微观形貌,纳米HAp外层表面形貌,晶相,复合涂层的断面形貌及元素组成分布进行分析研究.通过粘结-拉伸实验测定了涂层与基体的结合强度,结果表明,Co-YSZ/HAp纳米复合涂层与钛基体的结合强度明显高于纳米HAp单一涂层与钛基体的结合强度,说明复合涂层具有更好的力学性能.

Pt/YSZ电极结构形貌对传感器特性的影响

借助交流阻抗测试技术、汽车用A F(空气与燃料的质量比 )氧传感器响应时间测量装置及SEM ,对敏感材料为Y2 O3 稳定ZrO2 多晶固体氧离子导体 (YSZ)的Pt YSZ电极结构氧传感器其特性在不同烧结温度下电极形貌的关系进行了研究 ,同时提出了一种有关Pt YSZ电极界面的形貌模型 ,采用此模型对不同烧结温度下的电极形貌Pt 空气 YSZ三相界面长度进行了定量计算。

Pt/YSZ电极结构老化特性的复阻抗研究

借助于交流复阻抗测试技术和电子扫描电镜设备,对以Y2O3稳定ZrO2固体氧离子导体(YSZ)为基体的Pt/YSZ电极结构电学性能和电极形貌随时间的老化变化特性进行了研究;根据作者提出了一种有关Pt/YSZ电极结构电极界面的形貌模型,对不同老化时间下的电极Pt/空气/YSZ三相界面的长度进行了定量计算。实验测试和模型计算等结果都表明:Pt/YSZ电极结构的电学性能和电极形貌均随老化时间出现了明显的变化。

Pt/YSZ电极结构形貌的表征

根据YSZ型氧传感器中O在电极表面的吸附、扩散以及Pt/YSZ界面O(Pt电极中)/O2(YSZ中)的传递的机理,提出了一种对Pt /YSZ电极界面进行定量表征的模型。用此模型对不同烧结温度下的电极形貌Pt/空气/ YSZ三相界面长度进行了定量表征,同时,采用复阻抗测试技术和氧传感器响应测试技术对表征结果的合理性进行了验证。理论推算和试验结果都表明:采用1 000℃,1 h烧结的电极形貌具有最佳的电化学性能。

YSZ陶瓷与Kovar合金的银基钎焊研究

用BAg72Cu钎料对氧化钇稳定氧化锆(YSZ)陶瓷与Kovar合金进行真空钎焊封接,用SEM、EDS和氦质谱检漏仪考察了钎焊温度和钎焊厚度对钎焊封接件的抗剪强度和气密性的影响,并分析了钎焊界面微观结合情况。结果表明,YSZ陶瓷与Kovar合金在850℃保温5 min钎焊封接时,获得的封接件能够承受最大的抗剪强度为75 MPa;钎缝氦漏率优于6.0×10^11 Pa·m^3/s,钎缝无气孔、裂纹现象,钎缝中间区域主要为银基钎料凝固组织,Kovar合金侧界面反应区富集铜合金,铂金属化层侧为富银相。

Li_2CO_3-YSZ-SrCO_3敏感电极的CO_2电化学传感器研究

借助X射线衍射(XRD),扫描电镜(SEM)分析方法,研究以Li_2CO_3-YSZ-SrCO_3作为敏感电极的氧化锆(YSZ)固体电解质CO_2传感器。结果表明,在实验条件(450℃,CO_2浓度(34100~576800)×10-6)下,传感器对CO_2浓度变化具有准确、快速的响应。Li_2CO_3-YSZ-SrCO_3电极烧制温度对其性能有影响。750℃烧制时,ZrO_2与Li_2CO_3和SrCO_3反应较充分;725℃烧制时,反应较浅。比较而言,725℃烧制的传感器响应较好。

气体成分对超低压等离子喷涂制备YSZ涂层组织结构的影响

【目的】分析超低压下不同气体产生的热喷涂等离子射流特性与制备涂层之间的关系。【方法】以氩氢和氩氦2种混合气体产生的热喷涂等离子射流,并使用这2种混合气体在不同电流强度下沉积氧化钇稳定氧化锆(YSZ)涂层,使用扫描电镜观察涂层微观结构。【结果】超低压下,氩氢等离子射流中的温度要高于氩氦等离子体射流,而氩氦等离子射流中的黏度要大于氩氢等离子体射流;氩氦等离子体可以制备出的全纳米等轴晶的YSZ涂层,功率增加,涂层中的晶粒变大,氩氢等离子体制备的YSZ涂层是由大颗粒的等轴晶和未熔化的粉末团以及大的裂纹和气孔组成。【结论】氩氦等离子射流更有利于均匀一致等轴晶结构YSZ涂层的制备。

YSZ传导膜H_2S固体氧化物燃料电池

研究了Y2O3稳定的ZrO2(YSZ)氧离子传导膜H2S固体氧化物燃料电池性能。掺杂NiS、电解质、Ag粉和淀粉制备了双金属复合MoS2阳极催化剂,掺杂电解质、Ag粉和淀粉制备了复合NiO阴极催化剂,用扫描电镜对YSZ和膜电极组装(MEA)进行了表征,比较了不同电极催化剂的性能和极化过程,考察了不同温度对电池性能的影响。结果表明,双金属复合MoS2/NiS阳极催化剂在H2S环境下比Pt和单金属MoS2催化剂稳定,复合NiO阴极催化剂比Pt性能好,在电极催化剂中加入Ag可显著提高电极的导电性;与Pt电极相比,复合MoS2阳极和复合NiO阴极催化剂的过电位较小,阳极的极化比阴极侧小;温度升高,电池的电流密度与功率密度增加,电化学性能变好。在750℃、800℃、850℃和900℃及101.13 kPa时,结构为H2S、(复合MoS2阳极催化剂)/YSZ氧离子传导膜/(复合NiO阴极催化剂)、空气的燃料电池最大功率密度分别为30 mW/cm2、70 mW/cm2、155 mW/cm2及295 mW/cm2、最大电流密度分别为120 mA/cm2、240 mA/cm2、560 mA/cm2和890 mA/cm2。

等离子喷涂纳米结构YSZ涂层的结构与性能

利用大气等离子喷涂技术在300、400和500 A电流下分别制备具有不同纳米结构及含量的涂层,于1 300℃高温下分别保温20 h与50 h后,采用场发射扫描电镜,X射线衍射技术及努氏压痕法研究涂层中纳米结构的变化。在1 000℃下进行热震性能测试,观察涂层结构对抗热震性能的影响。结果表明,300、400和500A电流下涂层的平均晶粒尺寸分别为62、98和104 nm,而300 A电流下涂层具有非常高的孔隙率,约44.8%±8%。高温加热后纳米结构涂层出现烧结收缩,涂层孔隙率降低,弹性模量增加。涂层初始纳米区域颗粒尺寸越低与完全熔化区域烧结速度差异越大越有利于涂层的抗烧结性。当涂层中含有较多纳米区域时涂层抗热裂纹扩展能力有所提高,但是较高的孔隙率加速了涂层与粘结层界面的失效,此时通过降低粉体熔化程度提高纳米区域含量对热障涂层的寿命有负面作用。

送粉位置对等离子喷涂YSZ粒子熔化状态的影响

研究了等离子喷枪采用3个送粉位置时距离喷嘴90mm处YSZ粒子的熔化状态(包括粒子温度及速度、粒子粒度分布、粒子撞击基体后的扁平形貌),其中送粉位置1和2为枪外送粉,送粉孔轴线距离喷嘴端面分别为9mm和3.5mm,送粉位置3为枪内送粉,送粉孔轴线距离喷嘴端面5mm。结果表明,送粉位置沿等离子射流逆流方向移动时(分别对应送粉位置1、2和3),粒子熔化效果明显增强,粒子扁平化程度提高;涂层中未熔颗粒和孔隙百分比由33.25%减小至10.13%,涂层结合强度由16.25MPa增加至37.25MPa,涂层表面剥落20%时经历的热震次数由35次增加至130次;采用送粉位置3时,喷涂功率33.60kW,低于其他送粉位置的电弧功率(46.75kW),实现了低功率制备高性能YSZ涂层。

稀土氧化物掺杂改性YSZ热障涂层研究现状与趋势

随着科技的进步与发展,面对日趋复杂的工作环境,传统的氧化钇部分稳定的氧化锆(Yttria partially stabilized zirconia)热障涂层材料在高于1200℃的环境下服役时,易出现相变、烧结收缩严重等问题,降低了涂层的隔热性能,同时伴随有一定的体积变化而加速涂层的剥落,需要研发性能更好的热障涂层以适应未来的工作环境。新一代热障涂层分为以下几类:(1)掺杂稀土氧化物改性YSZ热障涂层;(2)萤石或焦绿石结构热障涂层;(3)钇铝石榴石或磁铁铅矿热障涂层;(4)钙钛矿结构热障涂层。其中,采用稀土氧化物掺杂对YSZ进行改性的热障涂层由于可以有效降低热障涂层的热导率,提高其高温相稳定性、高温抗氧化性、高温抗腐蚀性能等而引起国内外学者的关注。本文主要介绍了目前几种有希望代替传统YSZ涂层的稀土氧化物掺杂改性YSZ热障涂层,稀土氧化物包括CeO_(2)、Sc_(2)O_(3)、Gd_(2)O_(3)、La_(2)O_(3),对不同稀土氧化物掺杂改性YSZ热障涂层材料的物理化学性质、研究现状及存在的问题进行了综述。其中掺杂CeO_(2)可降低涂层的热导率,使其耐Na_(2)SO_(4)腐蚀能力增强,并提高其热稳定性;掺杂Sc_(2)O_(3)不仅降低涂层的热导率,还大大提高其相稳定性,使涂层在1500℃高温下经过长时间热处理后仍然保持单一的t'相;掺杂Gd_(2)O_(3)可有效提高其耐热腐蚀性,但过量掺杂会降低涂层的力学性能;掺杂La_(2)O_(3)可增强涂层的抗烧结能力,有效降低其热导率。本文还对影响稀土氧化物掺杂改性YSZ热障涂层性能的其他因素(如制粉方式、喷涂工艺等)的研究现状进行了简单的介绍,对今后热障涂层体系的发展趋势及研发思路进行总结,为新型热障涂层的研制提供参考。

单一混合固态源PE-MOCVD法制备YSZ薄膜及其表征

采用等离子体增强的MOCVD技术,以均匀混合的金属β-二酮鳌合物固态源Y(DPM)3和Zr(DPM)4作为前驱物,在N iO/SDC多孔阳极和多孔-αA l2O3衬底上制备了氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)薄膜.研究了两种衬底对成膜过程和膜的结构以及微结构的影响,讨论了源区输运机制及薄膜生长动力学.XPS分析结果表明,薄膜中Y和Zr元素的摩尔比低于原始混合源中的Y和Zr元素的摩尔比,当混合源中的Y和Zr元素的摩尔比约为0.35∶1时,可以获得无定形态的8%YSZ薄膜,经高温焙烧转化为单一立方相,其晶粒大小约为100 nm,薄膜的生长速率约为7 nm/m in.

甘氨酸法制备YSZ粉体及其在中温固体氧化物燃料电池中的应用

用甘氨酸法制备了堆积密度小于0．35％的疏松（Y2O3）0.08（ZrO2）0.02（YSZ）陶瓷粉体．研究了预烧温度对初级粉体的晶体结构、晶粒大小、比表面积、粉体形貌和烧结性能的影响，进一步研究预烧温度对YSZ烧结体电导率的影响．随着预烧温度的升高，粉体的晶粒尺寸增加，比表面积减小，烧结体的相对密度减小，粉体的多孔疏松程度降低．700℃预烧粉体的生坯最易致密化，得到的YSZ烧结样品具有最高电导率，其值在800℃时为0．029S·cm^-1．同时以700℃预烧的粉体为原材料，用共压共烧工艺，制备阳极支撑的厚度为10-20μm的YSZ电解质薄膜．以YSZ薄膜为基础的单电池在700℃下的最大功率密度达到470mW／cm^2．

大气等离子喷涂YSZ热障涂层内应力研究现状

使用大气等离子喷涂(APS)技术制备氧化钇稳定氧化锆(YSZ)热障涂层(TBCs)已经得到广泛研究。内应力是影响TBCs系统性能和使用寿命的主要因素。过量的内应力会引起微裂纹的产生、扩展,导致YSZ TBCs过早失效。早期内应力主要由喷涂工艺、基体和粉末条件的不良选择引起,并引起早期裂纹的萌生与扩展。ZrO_(2)高温相变、热生长氧化物(TGO)生长和陶瓷与金属材料之间的热膨胀系数(CTE)失配是TBCs在热服役中内应力的主要来源。在内应力作用下,裂纹在表面陶瓷工作层(TC)/TGO或黏结层(BC)/TGO界面处萌生,扩张并导致涂层脱落失效。目前降低系统内应力以达到延长TBCs热服役寿命的主要思路有干预尖晶石TGO生成,制备复合涂层或使用稀土粒子稳定ZrO_(2)物相结构。