8YSZ和La2Zr2O7/8YSZ热障涂层的高温性能和失效机理研究

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热障涂层(Thermal Barrier Coatings,TBCs)因具备优异的隔热性能和较高的抗高温氧化性能,已被广泛应用到航空燃气涡轮发动机等热端部件。通过在单层TBCs上增加阻碍层、抗腐蚀层或扩散阻挡层来构成双层TBCs,可有效提高涂层的抗腐蚀、抗氧化等性能,因此双层结构TBCs受到了越来越多的关注。为了揭示单层TBCs和双层TBCs在1100℃高温氧化和热震过程中热生长氧化物(Thermally Grown Oxide,TGO)的形成与生长机制,本研究采用大气等离子喷涂技术制备了两种TBCs,其陶瓷层分别为Y2O3部分稳定Zr O2(YSZ)和La2Zr2O7(LZ)/YSZ,然后对两种TBCs进行了高温氧化和热震性能实验。结果表明,LZ/YSZ TBCs由于LZ陶瓷层隔绝外界氧的能力强,使得粘接层中元素氧化过程的扩散动力学被改变,尖晶石相(SC)形成延迟;而且La3+可影响TGO相变,降低了亚稳相θ-Al2O3向稳定相α-Al2O3的转变速率,从而减小了TGO内部的残余应力。因此,LZ/YSZ TBCs的抗高温氧化性能明显优于YSZ TBCs。另外,由于LZ/YSZ TBCs的应变能释放率G较YSZ TBCs更高,增加了发生层离断裂的倾向,因此,LZ/YSZ TBCs在1100℃下的热震寿命低于YSZ TBCs;且LZ/YSZ TBCs热震失效的主要原因不是TGO生长应力,而是由于陶瓷层LZ与YSZ之间弹性模量的差异及热不匹配应力。为了探究上述两种TBCs在高温和雨水环境中的耐CaO、Mg O、Al2O3和Si O2(CMAS)腐蚀性的差异和腐蚀机理,本研究对两种TBCs在1200℃进行了高温和雨水环境中的耐CMAS腐蚀实验。结果表明,经CMAS腐蚀相同时间后,YSZ TBCs中的陶瓷层YSZ由于相变而发生体积膨胀,表面出现裂纹,进而导致涂层失效,而LZ/YSZ TBCs的表面生成了致密的磷灰石和萤石相,有效抑制了CMAS的渗透;两种TBCs经CMAS腐蚀后表面残余应力均为压应力,但LZ/YSZ TBCs的表面残余应力小于YSZ TBCs;两种TBCs在模拟雨水中的电化学腐蚀性相比,LZ/YSZ TBCs自腐蚀电位较高、腐蚀电流较低、极化电阻较高。因此LZ的存在提高了LZ/YSZ TBCs在高温和雨水环境中的耐CMAS腐蚀性。为了探索激光重熔对TBCs在1100℃下高温性能的影响,对上述两种TBCs进行了表面激光重熔处理,随后进行了高温氧化和热震性能实验。结果表明,激光重熔后两种TBCs的陶瓷层变得更加致密,阻滞了外部O进入TBCs,推迟了形成SC的时间,因此,激光重熔处理提高了两种TBCs的抗高温氧化性能,且激光重熔LZ/YSZ TBCs的抗高温氧化性能优于激光重熔YSZ TBCs。此外,对于YSZ TBCs来说,由于激光重熔处理提高了致密度,减小了TGO的生长应力,同时,减小了陶瓷层、TGO和粘结层之间的热不匹配应力,因此,激光重熔处理明显提高了YSZ TBCs的热震寿命,且重熔YSZ TBCs的热震失效形式为由较大表面残余压应力导致的屈曲驱动层离,而喷涂YSZ TBCs的热震失效形式为由较小表面残余压应力导致的边缘层离。
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