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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。
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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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