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等离子喷涂Sc2O3-Y2O3-ZrO2热障涂层组织结构和性能研

究

李其连;刘怀菲

【摘要】采用化学共沉淀—煅烧法制备了7.1mol％Sc2O3～1.5mol％Y2O3-

ZrO2(ScYSZ)设计成分复合陶瓷原粉,将该原粉经团聚造粒和高温烧结处理,使粉末

流动性及松装密度满足等离子喷涂工艺要求.经大气等离子喷涂制备了超高温热障

涂层.采用场发射扫描电子显微镜、X-射线衍射对粉末组织结构、形貌进行了测试,

并进行了涂层组织结构、高温相稳定性、隔热性能、热冲击性能及抗氧化性能进行

了测试分析.结果表明所制备的ScYSZ团聚粉末在1200℃烧结处理2h后,粉末呈

球形、流动性好,满足等离子喷涂工艺要求.ScYSZ粉末及其涂层室温均呈单一四方

结构,1500℃热处理300h后,ScYSZ涂层无单斜相出现,具有非常优秀的高温相稳

定性.在900℃～1500℃温度测量范围内,等离子喷涂ScYSZ涂层的热导率为

0.93～1.19W/m·K,明显低于目前广泛应用的等离子喷涂Y2O3-ZrO2涂层的热导

率(1.2～1.5W/m·K).Sc2O3的加入在提高了热障涂层的高温相稳定性的同时,也

显著提高了涂层的隔热性能及抗热冲击性能,Sc2O3-Y2O3-ZrO2很有希望成为

1500℃使用的超高温热障涂层材料.

【期刊名称】《热喷涂技术》

【年(卷),期】2016(008)001

【总页数】8页(P17-24)

【关键词】热障涂层;化学共沉淀;氧化钪氧化钇复合稳定氧化锆;组织结构;相稳定性;

热导率;热冲击性能

【作者】李其连;刘怀菲

【作者单位】北京航空制造工程研究所高能束流加工技术重点实验室,北京

100024;中南大学粉末冶金国家重点实验室,长沙410083

【正文语种】中文

【中图分类】TG174.4

热障涂层（TBCs）为先进燃气涡轮发动机热端部件关键防护涂层。以推重比10

一级航空发动机为例，其涡轮前进口温度1600℃以上，推重比12～15一级航空

发动机的涡轮前进口温度为1700℃以上，而推重比15～20一级航空发动机的涡

轮前进口温度更高，将达到1900℃以上。涡轮前进口温度的大幅度提升无疑对发

动机热端部件材料的高温服役性能提出了更高的要求，在采用特别设计冷却结构和

高效冷却的情况下，燃烧室、高压涡轮导向叶片等热端部件的表面工作温度仍然可

达1200℃～1500℃，而目前代表高温合金最高水平的第五代单晶的使用温度也低

于1200℃。尽管新型金属间化合物、单晶高温合金等高温材料提高了热端部件的

极限工作温度，但仍然需要采用热障涂层对关键高温部件进行隔热防护才能满足设

计使用要求。

氧化钇部分稳定氧化锆陶瓷涂层由于其热导率低、热膨胀系数相对较高以及化学稳

定性好等优良性能而成为热障涂层（TBCs）的常用材料[1-2]。目前，广泛应用的

TBCs材料为6%～8%Y2O3-ZrO2（YSZ）。但工作温度高于1200℃时，YSZ将

发生从非平衡四方相（t′）到平衡四方相t（）和立方相（c）转变，然后再发生平

衡四方相到单斜相（m）的转变，在相变过程中涂层体积发生约4%的膨胀，使热

障涂层开裂失效[3-4]。同时高温时，YSZ涂层极易烧结及晶粒长大，导致涂层的

热导率上升，杨氏模量增大，从而加速热障涂层的剥落失效，因此研究开发1400℃

以上能长期稳定工作的热障涂层意义重大。

近年来，国内外学者在Y2O3部分稳定ZrO2材料的基础上，对多种稀土氧化物

（如CeO2、ErO2、HfO2、Yb2O3、La2O3、Sc2O3、Sm2O3、Gd2O3），其

中的一种或几种稀土氧化物代替单一Y2O3或与Y2O3复合作为ZrO2稳定剂进

行了较多的探索研究，取得了较大进展。与YSZ涂层相比，多种稀土氧化物的加

入有效阻止了四方相向单斜相的转变，使热障涂层的高温相稳定性、抗高温烧结性

能、隔热性能及抗热冲击性能等大幅改善，多种稀土氧化物复合稳定氧化锆热障涂

层是未来超高温热障涂层的重要发展方向[1-4]。

采用化学共沉淀法可以精确控制多种稀土氧化物复合稳定氧化锆热障涂层材料中各

组分的含量，使不同组分