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R2Zr2O7型稀土锆酸盐热障涂层的组织结构及CMAS腐蚀行为

作　者: 张维亨
导　师: 欧阳家虎
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 材料学
关键词: 稀土锆酸盐 热障涂层 CMAS 大气等离子喷涂 组织结构
分类号: TG174.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


稀土锆酸盐具有比传统热障涂层材料YSZ（6–8wt.%Y2O3稳定的ZrO2）更低的热导率、更优异的抗烧结性能和相稳定性，被普遍认为是下一代热障涂层的候选材料。本文采用固相反应法制备了Sm2Zr2O7、 Sm4/3Yb2/3Zr2O7和La1.6Eu0.4Zr2O7陶瓷粉末，用喷雾干燥法进行了造粒。采用等离子喷涂制备了YSZ、 Sm2Zr2O7、 Sm4/3Yb2/3Zr2O7和La1.6Eu0.4Zr2O7四种无基底涂层；以NiCoCrAlY为黏结层，在GH99高温合金基板上制备了YSZ涂层和Sm2Zr2O7/YSZ、Sm4/3Yb2/3Zr2O7/YSZ、La1.6Eu0.4Zr2O7/YSZ双陶瓷涂层。通过XRD、SEM和EDS研究了涂层的组织结构及CMAS腐蚀行为，采用加热–淬水法测试了YSZ涂层和双陶瓷涂层的抗热震性能。采用固相反应法制备的Sm2Zr2O7和La1.6Eu0.4Zr2O7陶瓷粉末为烧绿石相，而Sm4/3Yb2/3Zr2O7为缺陷型萤石相加少量烧绿石相。喷雾干燥造粒后，以等离子喷涂的方法制备了稀土锆酸盐涂层。通过能谱分析发现，稀土锆酸盐中有部分稀土氧化物在等离子喷涂过程中挥发掉了，Sm2Zr2O7中挥发程度最严重， Sm4/3Yb2/3Zr2O7中挥发程度最轻；随着喷涂功率的增大，稀土氧化物挥发加剧。XRD结果表明，喷涂功率和基体会影响稀土锆酸盐涂层的物相。其中以40kW喷涂的带基体的Sm4/3Yb2/3Zr2O7涂层为缺陷型萤石相，而Sm2Zr2O7和La1.6Eu0.4Zr2O7涂层除缺陷型萤石相外还有少量四方ZrO2。用无基底涂层研究了涂层的CMAS腐蚀行为。结果发现，稀土锆酸盐涂层与CMAS熔体接触后能迅速生成一个由磷灰石相和莹石相组成的致密封阻层，阻止了CMAS熔体的渗透。稀土元素离子半径越小，则相应的稀土锆酸盐与CMAS反应的速率越快，涂层抵御CMAS熔体渗透的能力越强。用加热-淬水法测试了涂层在1250oC的抗热震性能。试验结果表明Sm4/3Yb2/3-Zr2O7/YSZ和La1.6Eu0.4Zr2O7/YSZ双陶瓷层涂层的抗热震性能与YSZ涂层相当，而Sm2Zr2O7/YSZ涂层明显优于YSZ涂层。Sm2Zr2O7涂层中存在不发生相变的四方ZrO2，增加了涂层的断裂韧性，抗热震性优于另外两种双陶瓷层涂层。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章 绪论  9-22
  1.1 引言  9-10
  1.2 热障涂层系统及其制备工艺  10-14
    1.2.1 热障涂层系统简介  10-11
    1.2.2 热障涂层系统制备工艺  11-14
  1.3 热障涂层的 CMAS 侵蚀  14-16
    1.3.1 CMAS 的化学成分  14-15
    1.3.2 热障涂层的 CMAS 腐蚀机理  15-16
  1.4 稀土锆酸盐热障涂层研究进展  16-21
    1.4.1 R_2Zr_2O_7型稀土锆酸盐的结构特征及其热导率  16-18
    1.4.2 稀土锆酸盐对热障涂层制备工艺的适应性  18
    1.4.3 稀土锆酸盐热障涂层的热循环性能及双陶瓷层涂层  18-20
    1.4.4 稀土锆酸盐热障涂层的隔热性能  20
    1.4.5 稀土锆酸盐热障涂层的 CMAS 腐蚀  20-21
  1.5 本文的研究目的与内容  21-22
第2章 试验材料与方法  22-29
  2.1 试验原材材料  22-23
  2.2 稀土锆酸盐陶瓷粉末及 CMAS 制备  23-24
  2.3 稀土锆酸盐等离子喷涂喂料制备  24
  2.4 大气等离子喷涂制备热障涂层  24-26
  2.5 材料的组织结构分析  26-27
    2.5.1 材料的物相分析  26
    2.5.2 材料显微组织观察及成分分析  26-27
  2.6 热障涂层的 CMAS 腐蚀试验  27
  2.7 热障涂层的热震试验  27-29
第3章 热障涂层组织结构研究  29-50
  3.1 稀土锆酸盐粉末的物相分析  29-30
  3.2 稀土锆酸盐喷涂喂料  30-33
  3.3 热障涂层的表面形貌分析  33-35
  3.4 热障涂层的断口形貌分析  35-37
  3.5 热障涂层的截面形貌分析  37-39
  3.6 稀土锆酸盐涂层的成分  39-44
    3.6.1 稀土锆酸盐涂层的能谱分析结果  39-41
    3.6.2 稀土锆酸盐涂层中稀土氧化物的挥发机理  41-44
  3.7 稀土锆酸盐涂层的物相分析  44-49
  3.8 本章小结  49-50
第4章 热障涂层的 CMAS 腐蚀行为  50-72
  4.1 CMAS 的物相分析  50-51
  4.2 CMAS 在涂层中渗透行为及与涂层的热化学反应  51-68
    4.2.1 CMAS 与 YSZ 的相互作用  51-54
    4.2.2 CMAS 与稀土锆酸盐涂层的相互作用  54-68
  4.3 CMAS 在涂层中渗透行为的影响因素  68-71
  4.4 本章小结  71-72
第5章 热障涂层的抗热震性能  72-81
  5.1 涂层的热震寿命及失效过程  72-74
  5.2 热震试验后涂层的组织结构  74-78
  5.3 涂层的热震失效机理分析  78-79
  5.4 本章小结  79-81
结论  81-82
参考文献  82-89
致谢  89

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中图分类: > 工业技术 > 金属学与金属工艺 > 金属学与热处理 > 金属腐蚀与保护、金属表面处理 > 腐蚀的控制与防护 > 金属表面防护技术
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