【摘 要】
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热障涂层（Thermal Barrier Coatings,TBCs）是一种将导热系数较低的高熔点陶瓷材料喷涂于燃气涡轮发动机核心热端部件表面的隔热涂层。常用材料为氧化钇（质量分数6%～8%）部分稳定氧化锆（yttria-stabilized zirconia,YSZ）。但传统YSZ涂层在失效前,会经历先减薄后开裂的过程,对于这类损伤无法进行预测;而掺杂三价稀土离子的YSZ涂层因具有荧光效应,能够
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热障涂层（Thermal Barrier Coatings,TBCs）是一种将导热系数较低的高熔点陶瓷材料喷涂于燃气涡轮发动机核心热端部件表面的隔热涂层。常用材料为氧化钇（质量分数6%～8%）部分稳定氧化锆（yttria-stabilized zirconia,YSZ）。但传统YSZ涂层在失效前,会经历先减薄后开裂的过程,对于这类损伤无法进行预测;而掺杂三价稀土离子的YSZ涂层因具有荧光效应,能够有效实现对涂层失效前的预测。由于Eu3+离子在激发光作用下所反馈的红光具有更高的辨识度,因此其被更多地应用于YSZ热障涂层的无损检测中;但还需针对Eu3+离子掺杂对YSZ涂层性能的影响方面做进一步研究,只有在保证不影响涂层本征性能的前提下,才可以利用稀土荧光效应在涂层失效预测方面开展进一步的应用。因此,本文通过大气等离子喷涂（Air Plasma spraying,APS）制备了两种类型的涂层:（1）Eu3+掺杂的YSZ(Eu3+掺杂含量分别为1 mol%、2 mol%、3 mol%、4 mol%),（2）含8wt.%Y2O3的YSZ。并通过等温氧化试验和氧化循环试验对Eu3+离子掺杂含量对涂层热物理、力学性能及热生长氧化物（thermally grown oxide,TGO）的生长行为等进行了系统地研究,研究结果表明:1、Eu3+离子掺杂未改变涂层的微观形貌,5种涂层具有相近的孔隙率,且随着高温氧化的进行而逐渐降低。相较于传统8YSZ,Eu3+离子掺杂量的增加导致YSZ:Eu的晶格参数随之增加,但四方度减小。喷涂态的YSZ:Eu热障涂层在1100°C高温氧化后,晶粒长大但未发生相变,仍以亚稳态四方相t′相稳定存在。2、Eu3+离子掺杂量的增加使YSZ:Eu涂层的热容及热扩散系数逐渐降低,且均低于8YSZ。所有温度下YSZ:Eu涂层的热导率均低于8YSZ（100°C-1.5677 W/（m·K）,1100°C-1.17267 W/（m·K））,降幅达到了25%以上。3、Eu3+掺杂提高了YSZ涂层的硬度和杨氏模量。涂层界面断裂韧性值有:4 mol%＜3 mol%＜8YSZ＜1 mol%＜2 mol%,且均随着高温氧化时间的增加而降低。4、Eu3+的掺杂会抑制TGO的生长,Eu3+离子在涂层内能稳定存在。5种类型试样的宏观寿命均有:4 mol%＜3 mol%＜1 mol%＜8YSZ＜2 mol%,过多Eu3+离子的掺杂,会大大削弱热障涂层的寿命。涂层失效由TGO内部裂纹扩展引发,减少Cr、Co尖晶石的生成有助于提高热障涂层的寿命。综上所述,这项研究有效地表明,少量的Eu3+掺杂将适当提高涂层的力学性能,但过量会降低TBCs系统的整体寿命,综合热物性与力学性能,Eu3+的最佳掺杂比例为2mol%。本论文的研究成果为具有无损检测功能的少量Eu3+掺杂YSZ涂层作为传统8YSZ的替代材料提供了理论支持。
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