氧化锆基双陶瓷层热障涂层表层材料研究进展
发布时间：2022-01-16 02:48
双陶瓷层热障涂层是热障涂层技术的发展方向之一。等离子喷涂和电子束-物理气相沉积技术是目前最常用的双层涂层制备技术,但存在的固有缺点影响涂层性能的发挥。可实现非视线沉积的等离子-物理气相沉积技术效率高,能对涂层微观结构进行精准调控,发展潜力巨大。稀土氧化物掺杂ZrO2、A2B2O7型烧绿石和萤石结构化合物、钇铝石榴石、独居石结构的稀土磷酸盐、氧化铝等材料被作为表层陶瓷,分别与传统的6%～8%Y2O3部分稳定的ZrO2（（6～8）YSZ）层组合构成双陶瓷层,可有效降低涂层的热导率,极大地改善抗熔盐热腐蚀性能,提高耐热温度等。如YSZ/CeO2和TiO2共稳定的ZrO2双层涂层可大幅提高隔热性能,La2(Zr0.7Ce0.3)2O7能有效提高整个涂层的使用寿命,钇铝石...
【文章来源】：表面技术. 2020,49(09)北大核心EICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
YSZ-Gd2Zr2O7双陶瓷层结构[12]
热障涂层（Thermal Barrier Coatings,TBCs）广泛用于航天、舰船、兵器、能源等装备动力装置高温端部件的防护，能有效隔绝热流和腐蚀介质，延长高温端部件的使用寿命[1-3]。热障涂层体系一般由～100μm厚的金属粘结层（MCr Al Y,M=Ni、Co、Ni+Co等）和～300μm厚的陶瓷面层组成（如图1a所示）。目前使用最广泛的陶瓷面层材料为6%～8%（质量分数）Y2O3部分稳定的Zr O2(Yttria-Stabilized Zirconia,YSZ)[4]，但其在1473 K以上的工作环境中长期工作时，涂层会发生相变和烧结，且易被Ca O-Mg O-Al2O3-Si O2(CMAS）、Na2SO4和V2O5等盐类腐蚀，大幅降低使用寿命，不能满足日益发展的工业需求[5-9]。为此，研究人员从制备工艺、新材料研发及结构设计等方面开展了大量研究。其中，一些具有或部分具有高熔点、低热导率、低烧结速率、高稳定性等优点的新材料，被用来与(6～8)YSZ相结合组成双层、多层或者梯度热障涂层[10]（如图1b、c、d所示），以提高热障涂层的高温适用性和使用寿命，适应发展需求。其中，双陶瓷层结构的热障涂层（Double-ceramic-layer,DCL）由2个陶瓷层组成（如图1b、图2所示），表层陶瓷一般为研发的陶瓷新材料，起隔热、抗腐蚀等作用；底层陶瓷一般用来缓解表面陶瓷层、粘结层、金属基体之间因热膨胀系数差异而产生的热应力，以提高涂层的整体韧性等[11]。Zr O2基双陶瓷层热障涂层既能发挥Zr O2基涂层热膨胀系数大、断裂韧性高等优点，又能发挥表层陶瓷新材料热稳定性好、不易相变、隔热性能好、抗烧结、耐腐蚀等性能，实现优势互补，已成为热障涂层领域的研究热点之一。从近年国内外研究情况来看，国外研究者们经过前期大量的实验积累，对Zr O2基双陶瓷层表层材料的热物理性能等掌握已较为全面，普遍认为稀土锆酸盐（Gd、La）是双陶瓷层较为理想的表层材料，当前的研究也主要集中于其热腐蚀防护等高温化学性能的研究。国内关于热障涂层的研究虽然起步晚，但是近20年来在产品研发和应用方面积累了大量经验，与国外的差距正迅速缩小，当前国内研究者虽也将稀土锆酸盐等作为表层材料的研究重点，但研究多集中于材料热传导、高温氧化等基础性能研究。本文对近年来Zr O2基双陶瓷层热障涂层的表层材料研究情况进行论述，并探讨了存在的问题和主要研究方向。图2 YSZ-Gd2Zr2O7双陶瓷层结构[12]
烧绿石结构的La2Zr2O7和萤石结构的La2Ce2O7通过固态反应法、共沉淀法等可组成混合物La2(ZrxCe1-x)2O7，增多的离子半径和原子量差异，增加了点缺陷对声子扩散的散射，使其热导率更低，抗烧结能力强，且在高温下能保持相稳定。其中，APS制备的La2(Zr0.7Ce0.3)2O7涂层在1273 K时的热导率为～0.48 W/(m·K)，隔热性能优越，但其热膨胀系数（(8.9～10.2)×10-6 K-1）比传统的YSZ涂层低[47]。La2(Zr0.7Ce0.3)2O7与YSZ形成双层结构涂层后，其隔热性能和抗烧结性能均优于传统的YSZ涂层，由于La2(Zr0.7Ce0.3)2O7与CMAS形成的高熔点结晶物可有效阻碍CMAS渗入，其抗CMAS腐蚀性能优越，加之底层YSZ涂层缓解了其与基底之间的热膨胀系数差异，使涂层整体的高温热循环寿命远高于传统的YSZ涂层[47-49]，热膨胀系数的不匹配最终导致了各层之间裂纹的产生和La2(Zr0.7Ce0.3)2O7的逐层剥离，导致涂层失效[48,50]；纳米结构双层涂层间的粘结力比同等厚度的8YSZ涂层稍弱，但热导率会进一步降低[51];EB-PVD技术制备的YSZ/La Zr Ce O（元素比值La∶Zr∶Ce=1∶0.55∶0.75）双层涂层呈现柱状和羽状的微结构，如图3所示，具有极佳的热循环和抗热震性能，并保持较好的相稳定性[50]。此外，Sm2(Zr0.7Ce0.3)2O7的相稳定性好，抗烧结阻力较YSZ高，热传导系数远低于YSZ,1473 K时的热膨胀系数为～10.8×10-6 K-1，与YSZ构成双层涂层的热循环寿命高于8YSZ/La2(Zr0.7Ce0.3)2O7双层涂层，Sm2(Zr0.7Ce0.3)2O7较低的断裂韧性（1.5～2.5 MPa·m1/2）是导致涂层失效的主要原因[52]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]YAG/8YSZ双陶瓷热障涂层等温氧化性能研究[J]. 李文生,张义,安国升,成波,冯力,杨乐馨. 稀有金属材料与工程. 2019(12)
[2]等离子-物理气相沉积（PS-PVD）热障涂层的结构调控与高隔热机理[J]. 刘梅军,李广荣,杨冠军,李长久. 湘潭大学学报(自然科学版). 2019(06)
[3]重型燃气轮机用La2(Zr0.7Ce0.3)2O7/YSZ双层热障涂层热循环性能研究[J]. 汪超,周鑫,解旭阳,张宏琦,何磊,曹学强. 热喷涂技术. 2019(03)
[4]脉冲微波表面波PECVD在有机PET表面沉积DLC薄膜的阻隔性研究[J]. 周美丽,岳蕾,陈强. 包装工程. 2019(17)
[5]工业燃气轮机涡轮叶片用铸造高温合金研究及应用进展[J]. 罗亮,肖程波,陈晶阳,李青,戴圣龙. 材料工程. 2019(06)
[6]稀土钽酸盐在热障涂层中的研究与应用[J]. 宗若菲,吴福硕,冯晶. 航空制造技术. 2019(03)
[7]“热障涂层新材料、制备技术及性能评价”专题序言[J]. 宋希文. 装备环境工程. 2019(01)
[8]等离子喷涂-物理气相沉积高温防护涂层研究进展[J]. 张啸,刘敏,张小锋,毛杰,邓春明,李润霞,周克崧. 中国表面工程. 2018(05)
[9]防CMAS腐蚀热障涂层开裂的研究现状[J]. 王卫泽,方焕杰,黄继波. 表面技术. 2018(08)
[10]燃气轮机在船舶动力装置中的应用[J]. 王旭. 内燃机与配件. 2018(09)
博士论文
[1]PS-PVD羽—柱状结构7YSZ热障涂层的制备与性能研究[D]. 陈文龙.广东工业大学 2017
[2]燃气轮机透平叶片热障涂层的研究[D]. 钟颖虹.机械科学研究总院 2015
硕士论文
[1]Al2O3改性YSZ热障涂层的EB-PVD法制备、性能表征与抗火山灰腐蚀性能研究[D]. 刘敏.湘潭大学 2019
[2]LZO/8YSZ双陶瓷热障涂层高温氧化及CMAS腐蚀性能研究[D]. 杨乐馨.兰州理工大学 2019
[3]YAG/8YSZ双陶瓷热障涂层体系高温氧化和CMAS腐蚀性能研究[D]. 张义.兰州理工大学 2019
[4]稀土钽酸盐低热导陶瓷制备与热学及力学性质的研究[D]. 汪俊.昆明理工大学 2017
[5]几种提高热障涂层组织性能的方法[D]. 谢志敏.沈阳工业大学 2015
本文编号：3591789
【文章来源】：表面技术. 2020,49(09)北大核心EICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
YSZ-Gd2Zr2O7双陶瓷层结构[12]
热障涂层（Thermal Barrier Coatings,TBCs）广泛用于航天、舰船、兵器、能源等装备动力装置高温端部件的防护，能有效隔绝热流和腐蚀介质，延长高温端部件的使用寿命[1-3]。热障涂层体系一般由～100μm厚的金属粘结层（MCr Al Y,M=Ni、Co、Ni+Co等）和～300μm厚的陶瓷面层组成（如图1a所示）。目前使用最广泛的陶瓷面层材料为6%～8%（质量分数）Y2O3部分稳定的Zr O2(Yttria-Stabilized Zirconia,YSZ)[4]，但其在1473 K以上的工作环境中长期工作时，涂层会发生相变和烧结，且易被Ca O-Mg O-Al2O3-Si O2(CMAS）、Na2SO4和V2O5等盐类腐蚀，大幅降低使用寿命，不能满足日益发展的工业需求[5-9]。为此，研究人员从制备工艺、新材料研发及结构设计等方面开展了大量研究。其中，一些具有或部分具有高熔点、低热导率、低烧结速率、高稳定性等优点的新材料，被用来与(6～8)YSZ相结合组成双层、多层或者梯度热障涂层[10]（如图1b、c、d所示），以提高热障涂层的高温适用性和使用寿命，适应发展需求。其中，双陶瓷层结构的热障涂层（Double-ceramic-layer,DCL）由2个陶瓷层组成（如图1b、图2所示），表层陶瓷一般为研发的陶瓷新材料，起隔热、抗腐蚀等作用；底层陶瓷一般用来缓解表面陶瓷层、粘结层、金属基体之间因热膨胀系数差异而产生的热应力，以提高涂层的整体韧性等[11]。Zr O2基双陶瓷层热障涂层既能发挥Zr O2基涂层热膨胀系数大、断裂韧性高等优点，又能发挥表层陶瓷新材料热稳定性好、不易相变、隔热性能好、抗烧结、耐腐蚀等性能，实现优势互补，已成为热障涂层领域的研究热点之一。从近年国内外研究情况来看，国外研究者们经过前期大量的实验积累，对Zr O2基双陶瓷层表层材料的热物理性能等掌握已较为全面，普遍认为稀土锆酸盐（Gd、La）是双陶瓷层较为理想的表层材料，当前的研究也主要集中于其热腐蚀防护等高温化学性能的研究。国内关于热障涂层的研究虽然起步晚，但是近20年来在产品研发和应用方面积累了大量经验，与国外的差距正迅速缩小，当前国内研究者虽也将稀土锆酸盐等作为表层材料的研究重点，但研究多集中于材料热传导、高温氧化等基础性能研究。本文对近年来Zr O2基双陶瓷层热障涂层的表层材料研究情况进行论述，并探讨了存在的问题和主要研究方向。图2 YSZ-Gd2Zr2O7双陶瓷层结构[12]
烧绿石结构的La2Zr2O7和萤石结构的La2Ce2O7通过固态反应法、共沉淀法等可组成混合物La2(ZrxCe1-x)2O7，增多的离子半径和原子量差异，增加了点缺陷对声子扩散的散射，使其热导率更低，抗烧结能力强，且在高温下能保持相稳定。其中，APS制备的La2(Zr0.7Ce0.3)2O7涂层在1273 K时的热导率为～0.48 W/(m·K)，隔热性能优越，但其热膨胀系数（(8.9～10.2)×10-6 K-1）比传统的YSZ涂层低[47]。La2(Zr0.7Ce0.3)2O7与YSZ形成双层结构涂层后，其隔热性能和抗烧结性能均优于传统的YSZ涂层，由于La2(Zr0.7Ce0.3)2O7与CMAS形成的高熔点结晶物可有效阻碍CMAS渗入，其抗CMAS腐蚀性能优越，加之底层YSZ涂层缓解了其与基底之间的热膨胀系数差异，使涂层整体的高温热循环寿命远高于传统的YSZ涂层[47-49]，热膨胀系数的不匹配最终导致了各层之间裂纹的产生和La2(Zr0.7Ce0.3)2O7的逐层剥离，导致涂层失效[48,50]；纳米结构双层涂层间的粘结力比同等厚度的8YSZ涂层稍弱，但热导率会进一步降低[51];EB-PVD技术制备的YSZ/La Zr Ce O（元素比值La∶Zr∶Ce=1∶0.55∶0.75）双层涂层呈现柱状和羽状的微结构，如图3所示，具有极佳的热循环和抗热震性能，并保持较好的相稳定性[50]。此外，Sm2(Zr0.7Ce0.3)2O7的相稳定性好，抗烧结阻力较YSZ高，热传导系数远低于YSZ,1473 K时的热膨胀系数为～10.8×10-6 K-1，与YSZ构成双层涂层的热循环寿命高于8YSZ/La2(Zr0.7Ce0.3)2O7双层涂层，Sm2(Zr0.7Ce0.3)2O7较低的断裂韧性（1.5～2.5 MPa·m1/2）是导致涂层失效的主要原因[52]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]YAG/8YSZ双陶瓷热障涂层等温氧化性能研究[J]. 李文生,张义,安国升,成波,冯力,杨乐馨. 稀有金属材料与工程. 2019(12)
[2]等离子-物理气相沉积（PS-PVD）热障涂层的结构调控与高隔热机理[J]. 刘梅军,李广荣,杨冠军,李长久. 湘潭大学学报(自然科学版). 2019(06)
[3]重型燃气轮机用La2(Zr0.7Ce0.3)2O7/YSZ双层热障涂层热循环性能研究[J]. 汪超,周鑫,解旭阳,张宏琦,何磊,曹学强. 热喷涂技术. 2019(03)
[4]脉冲微波表面波PECVD在有机PET表面沉积DLC薄膜的阻隔性研究[J]. 周美丽,岳蕾,陈强. 包装工程. 2019(17)
[5]工业燃气轮机涡轮叶片用铸造高温合金研究及应用进展[J]. 罗亮,肖程波,陈晶阳,李青,戴圣龙. 材料工程. 2019(06)
[6]稀土钽酸盐在热障涂层中的研究与应用[J]. 宗若菲,吴福硕,冯晶. 航空制造技术. 2019(03)
[7]“热障涂层新材料、制备技术及性能评价”专题序言[J]. 宋希文. 装备环境工程. 2019(01)
[8]等离子喷涂-物理气相沉积高温防护涂层研究进展[J]. 张啸,刘敏,张小锋,毛杰,邓春明,李润霞,周克崧. 中国表面工程. 2018(05)
[9]防CMAS腐蚀热障涂层开裂的研究现状[J]. 王卫泽,方焕杰,黄继波. 表面技术. 2018(08)
[10]燃气轮机在船舶动力装置中的应用[J]. 王旭. 内燃机与配件. 2018(09)
博士论文
[1]PS-PVD羽—柱状结构7YSZ热障涂层的制备与性能研究[D]. 陈文龙.广东工业大学 2017
[2]燃气轮机透平叶片热障涂层的研究[D]. 钟颖虹.机械科学研究总院 2015
硕士论文
[1]Al2O3改性YSZ热障涂层的EB-PVD法制备、性能表征与抗火山灰腐蚀性能研究[D]. 刘敏.湘潭大学 2019
[2]LZO/8YSZ双陶瓷热障涂层高温氧化及CMAS腐蚀性能研究[D]. 杨乐馨.兰州理工大学 2019
[3]YAG/8YSZ双陶瓷热障涂层体系高温氧化和CMAS腐蚀性能研究[D]. 张义.兰州理工大学 2019
[4]稀土钽酸盐低热导陶瓷制备与热学及力学性质的研究[D]. 汪俊.昆明理工大学 2017
[5]几种提高热障涂层组织性能的方法[D]. 谢志敏.沈阳工业大学 2015
本文编号：3591789
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