新型热障涂层材料及其制备技术的研究与发展 .pdfVIP

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航空工业的飞速发展对飞行器的速度和安全提出了更高的要求,需要航空涡轮发动机

的各项性能不断提升。推重比是评价发动机性能的重要指标,高推重比要求发动机涡轮

[1]

进口温度不断提高,因此对发动机热端部件的材料提出了更为严苛的要求[2-3]。镍基高温合

金是当前最为常用的制造发动机叶片的材料,在1100℃时已经接近其极限工作温度,而

采用热障涂层技术则能有效的提高发动机热端部件的工作温度。热障涂层又称隔热涂

[4]

层,是由高温合金基体、中间金属黏结层和表面陶瓷层组成,主要是通过利用陶瓷材料的

低热导率和良好的抗高温氧化性能来实现对高温合金基体材料的保护。因此陶瓷材料需

[5]

要满足熔点高、热膨胀系数高、热导率低、抗高温氧化、抗高温腐蚀、抗烧结以及高温稳

定性好等性能要求。金属黏结层能有效的改善陶瓷层与基体之间的热膨胀系数不匹配,从

而提高基体的耐高温氧化性能。

目前,常用的热障涂层材料是氧化钇部分稳定氧化锆(yttria-stabilizedzirconia,

YSZ),由于YSZ在温度高于1200℃时会发生相转变,引起体积膨胀,加速涂层剥落失

效,降低涂层的寿命,已经不能满足使用需求。因此,寻找开发能在更高使用温度下稳

[6]

定存在的新型热障涂层材料成为当前的研究重点。近年来,国内外学者不断研究开发新型

热障涂层材料,同时对热障涂层制备工艺、性能表征等也开展了深入的研究。本文概述了

近年来新型热障涂层材料的研究进展及制备方法,并探讨了其存在的问题和今后的发展动

向。

1.新型热障涂层材料研究进展

1.1新型陶瓷层材料

1.1.1YSZ掺杂改性

YSZ因其较低的热导率和较高的热膨胀系数成为当前应用最为广泛的热障涂层材料,

但在工作温度高于1200℃时,会发生T′相(非相变的四方)→T相(四方)+C相(立

方)→M相(单斜)的转变,引起体积膨胀,使涂层产生应力,促进裂纹的形成和扩展,

从而降低涂层寿命。因此,T′相的高温稳定性直接决定了YSZ涂层系统的使用寿命。目

[7]

前的研究表明,通过多元氧化物掺杂形成稀土氧化物能有效降低YSZ的热导率和改善T′相

的高温稳定性。冀晓娟等通过第一原理计算分析了添加稀土元素对ZrO晶胞X-O键

[8]

2

(X=La、Ce、Gd、Nd、Yb)键长和晶格常数的影响。分析发现,稀土元素的加入使X-

O键键长变大,引起晶格振动频率降低,使材料的热扩散系数降低,而稀土元素的共价半

径越大,造成的膨胀畸变越大,热扩散系数也更小。李其连和刘怀菲通过等离子喷涂制

[9]

备了7.1%ScO-1.5%YO-ZrO超高温热障涂层(ScYSZ涂层,摩尔分数),并对涂层的

2232

组织、高温相稳定性、隔热性、热冲击性能和抗氧化性能进行了研究。结果表明,ScYSZ

涂层在1500℃热处理300h后无单斜相出现,具有良好的高温稳定性;在

900~1500℃范围内,涂层的热导率为0.93~1.19Wm·K·,明显低于目前广泛应用的

-1-1

YSZ涂层(1.2~1.5Wm·K·),如表1所示;掺杂稀土氧化物显著提高了涂层的抗热冲

-1-1

击性能,NiCoCrAlTaY/ScYSZ涂层的热冲击寿命达2000次以上,而NiCoCrAlTaY/YSZ

涂层热冲击寿命不足

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