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热障涂层界面氧化的热力学理论分析

作　者: 邹金龙
导　师: 周益春
学　校: 湘潭大学
专　业: 材料物理与化学
关键词: 热障涂层扩散系数氧化动力学力学化学活度高温氧化选择性氧化
分类号: TG174
类　型: 硕士论文
年　份: 2004年
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内容摘要

陶瓷热障涂层(thermal barrier coatings, 简称TBCs)一般由ZrO2+7wt.%Y2O3陶瓷层、MCrAlY(M代表Ni、Co、Ni and Co)粘结层和超合金基体组成,具有优良的抗高温氧化和抗热腐蚀性能,同时具有非常低的热传导系数,可有效降低被保护基材的服役温度,减轻其热冲击负荷,因而在航天航空、化工、冶金和能源方面(如叶片、喷嘴、轴、阀门等的表面保护)有广泛的应用前景。热障涂层在高温氧化过程中,氧化物生成时体系总的自由能变化涉及到氧化物单位体积生成自由能变化、表面自由能和应变能。由于表面自由能和应变能都是形核阻力项,因此氧化物形核唯一驱动力是单位体积生成自由能变化,它比标准生成自由能变化更能准确判断合金选择性氧化。绘制氧化物的单位体积生成自由能的变化图,分析表明,图比图更适合于分析合金的选择氧化行为,利用氧化物的图,可以定性地、更为合理地解释Y等活性元素可促进Cr选择氧化而不能促进Al2O3优先形成的原因。将热障涂层在10500C进行热循环氧化实验,用电子探针测出在陶瓷层和粘结层之间生成的氧化层中各元素含量随位置的分布,用最小二乘法求出氧化层中各元素的扩散系数,并用Wagner氧化理论求出生成保护性Al2O3膜所需最小Al的含量(即临界含量),当Al的浓度低于临界含量时,Al2O3膜将不能稳定地存在,Ni、Cr将参与反应,发生内氧化,形成复杂的氧化物,加速氧化反应的进行,氧化层内应力增加,氧化层发生破裂,陶瓷层剥落,最终导致热障涂层失效。在热障涂层的氧化模型研究中,不考虑陶瓷层,把在陶瓷层和粘结层之间生成的氧化物看作是由规则的氧化物晶粒组成。采用block-slot模型建立扩散方程,在模型中考虑了沿氧化物晶粒间隙的扩散及垂直氧化物-金属界面从晶粒表面向晶粒内的扩散即侧面扩散,通过数学运算,得到了一般的扩散动力学方程,并得到了氧化规律或的一般表达式,计算结果与11000C、10000C、9000C<WP=4>下热障涂层氧化实验结果相比还是吻合的。在应力对热障涂层氧化的影响的研究中计算了热障涂层粘结层各元素的力学化学活度,分析了应力对粘结层各元素的力学化学活度的影响,应力增大了粘结层中Cr/Al和Ni/Al组元的活度比值,相应的作用效果为Cr、Ni相对活度增大,从热力学的角度分析,活度增大有利于该元素氧化物的生成,即混合氧化物膜中,含Ni、Cr氧化物所占比例应当有所增加。应力对合金选择性氧化的影响在考虑应力对合金组元的作用的同时,这一结果也要从热力学和扩散动力学两方面来考虑。总而言之,本文从热力学、扩散、氧化动力学和力学化学活度四个方面对热障涂层的高温氧化机理作了一个较为详细的论述。

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