氧化锆基热障涂层陶瓷材料的研究进展

热障涂层是一种高温防护涂层,由于其应用的重要性和广泛性,已成为近年来涂层研究领域的热点之一.本文简要概述了国内外热障涂层陶瓷近年来的研究状况和发展趋势:目前最广泛使用的是Y2O3稳定ZrO2热障陶瓷材料(YSZ),而烧绿石结构的稀土锆酸盐和稀土氧化物是今后前景非常好的热障涂层材料.     

废感光胶片制备超细银粉的研究

采用Lu2O3/TiO2/Nb2O5作为ZrO2热障涂层材料的稳定剂,研究Lu2O3/TiO2/Nb2O5共稳定ZRO2(15％ LTNSZ)热障涂层材料在900℃、40 mol％V2O5+60 mol％Na2SO4熔盐中的热腐蚀行为.结果表明:8％YSZ热障涂层材料热腐蚀2h后,t相ZrO2全部相变为m相ZrO2,热腐蚀产物为尺寸较大的YVO4晶体;15％ LTNSZ热障涂层材料热腐蚀20 h后,m相ZrO2的比例仅为5.5％,热腐蚀产物为尺寸较小的LuVO4晶体.与Y2O3稳定剂相比,Lu2O3/TiO2/Nb2O5稳定剂使ZrO2在40 mol％ V2O5+60 mol％ Na2SO4熔盐中的抗热腐蚀性能提高1个量级以上.     

氧化锆基双陶瓷层热障涂层表层材料研究进展

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,钇铝石榴石能阻隔氧渗入YSZ层并防止粘结层金属的氧化,GdPO4能与Na2SO4+V2O5熔盐反应形成稠密反应层并抑制熔盐的进一步渗入,纳米Al2O3可形成致密结构,并提高涂层的抗热腐蚀能力和抗高温氧化能力。但是,绝大部分材料的热膨胀系数较低、断裂韧性较差,限制了涂层整体性能的发挥。结合纳米技术和等离子-物理气相沉积等新的制备技术,改性修饰稀土锆酸盐等表层材料的热物理性能,引入稀土钽酸盐等热导率低、韧性强、阻氧性好的材料,被认为能提高双层涂层的隔热性能和使用寿命。     

Lu2O3/TiO2/Nb2O5共稳定ZrO2热障涂层材料研究

采用Lu2O3/TiO2/Nb2O5作为ZrO2热障涂层材料的稳定剂,研究Lu2O3/TiO2/Nb2O5共稳定ZrO2(15%LTNSZ)热障涂层材料在900℃、40 mol%V2O5+60 mol%Na2SO4熔盐中的热腐蚀行为。结果表明:8%YSZ热障涂层材料热腐蚀2 h后,t相ZrO2全部相变为m相ZrO2,热腐蚀产物为尺寸较大的YVO4晶体;15%LTNSZ热障涂层材料热腐蚀20 h后,m相ZrO2的比例仅为5.5%,热腐蚀产物为尺寸较小的LuVO4晶体。与Y2O3稳定剂相比,Lu2O3/TiO2/Nb2O5稳定剂使ZrO2在40 mol%V2O5+60 mol%Na2SO4熔盐中的抗热腐蚀性能提高1个量级以上。     

热障涂层先进陶瓷材料研究进展

随着航空航天技术的不断发展,恶劣的工作环境对镍基高温合金的使用性能提出了更高的要求,热障涂层是一种应用于涡轮发动机热端部件的表面技术,通过沉积在镍基高温合金表面以降低基底表面温度。概述了传统氧化钇部分稳定氧化锆热障涂层的性能优势,包括优异的隔热性能、较高的热膨胀系数与断裂韧性。同时归纳了氧化钇部分稳定氧化锆热障涂层在高温环境下存在的问题,包括氧化锆相变与涂层烧结造成的过早失效。在此基础上,重点综述了近年来热障涂层先进陶瓷材料的研究进展,包括稀土陶瓷材料与自愈合材料,其中稀土陶瓷材料包括稀土掺杂氧化锆、成分掺杂与结构设计的稀土锆酸盐、稀土磷酸盐、3种不同结构的稀土钽酸盐、高熵稀土陶瓷材料以及稀土铌酸盐等,自愈合材料包括二硅化钼与碳化钛。针对各种热障涂层陶瓷材料,分别从热震寿命、热膨胀系数、热导率、耐腐蚀性、断裂韧性等方面进行了归纳,并总结了各材料现阶段发展的不足之处。最后展望了热障涂层材料的发展方向。     

Gd2 O3 -Yb2 O3 -Y2 O3 -ZrO2 热障涂层材料的热物理性能

目的通过多元稀土氧化物掺杂改性YSZ,提高传统热障涂层的性能。方法使用化学共沉淀法制备不同掺杂量的Gd2O3-Yb2O3-Y2O3-Zr O2(GYYZO)材料,并分别使用冷等静压-烧结和等离子喷涂工艺制备块材和涂层。通过测试块材的热导率和热膨胀系数,分析评价材料的热物理性能。对高温退火处理后的涂层进行X射线衍射分析,评价不同成分涂层的高温相稳定性。结果氧化锆基材料的热导率和热膨胀系数随总掺杂量升高而降低。氧化锆中稀土氧化物总掺杂量为5.5%~9.84%(摩尔分数)时,在1000℃下的热导率为1.25~1.56 W/(m·K),相对8YSZ材料下降了22%~37.5%;在200~1300℃的热膨胀系数为(10~11.1)×10-6/K,与传统8YSZ材料相当。在1400℃长时间退火处理后,低掺杂量GYYZO涂层中的单斜相含量明显低于8YSZ涂层。结论多元稀土氧化物掺杂改性氧化锆材料具有良好的高温相稳定性、低热导率和适当的热膨胀系数,可以作为高性能热障涂层的备选材料。     

提高等离子喷涂热障涂层隔热性能的方法

为进一步提高等离子喷涂热障涂层的隔热性能,对陶瓷材料的导热理论及热障涂层的热导率进行了研究.提出了包括寻求新型热障涂层陶瓷材料、添加掺杂剂、制备纳米涂层及双陶瓷层热障涂层等能够改善等离子喷涂涂层隔热性能的方法;并指出,采用等离子喷涂技术制备带颜色的稀土锆酸盐纳米双陶瓷层热障涂层,将会进一步改善热障涂层的隔热性能.     

激光表面重熔对ZrO_2-8wt%Y_2O_3热障涂层组织与抗热震性能的影响

采用等离子喷涂设备在H13热作模具钢表面制备氧化钇部分稳定的氧化锆(ZrO2-8 wt%Y2O3)热障涂层,并用CO2横流激光器对热障涂层进行表面重熔处理,并采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、热震试验等手段研究激光重熔前后热障涂层的微观结构及其抗热震性能的变化。结果表明,重熔前后涂层均由四方结构钇锆氧化物和立方相的氧化锆组成,重熔后涂层结晶度增加,晶粒有长大现象。激光重熔后涂层产生明显分层,表层组织孔隙和裂纹明显减少,裂纹呈网状且沿晶界分布,重熔涂层内部仍保持等离子喷涂典型结构。激光重熔后涂层孔隙率降低了67%,涂层的抗热震性能也显著提高。     

新型锆酸盐基热障涂层材料的研究进展

简要回顾了传统7±1 %Y_2O_3稳定的ZrO_2(YSZ)热障涂层的研究现状,指出YSZ涂层在高温热循环下存在着相变,抗烧结能力差等缺点.鉴于新型稀土锆酸盐系列由于具有热导率低、抗烧结能力强等优点而被认为有望作为新一代热障涂层候选材料,重点概述了目前国内外在这种热障涂层材料的陶瓷块体制备及涂层材料方面的研究现状,并进一步探讨了未来新型稀土锆酸盐基热障涂层的发展方向.     

玻璃沉积物对La2Ce2O7/YSZ涂层高温下热冲击性能的影响

目的 为了探究玻璃沉积物CMAS(CaO-MgO-Al2O3-SiO2)对新型结构热障涂层在1250 ℃下的热冲击寿命的影响,揭示热障涂层的失效行为。方法 通过火焰喷涂技术将制备的CMAS粉体均匀地沉积到铈酸镧/氧化钇部分稳定二氧化锆双陶瓷层热障涂层(LC/YSZ DCL-TBCs)和梯度热障涂层(LC/YSZ FGM-TBCs)的表面,于1250 ℃热冲击实验中进行涂层样品的抗热冲击性能及失效机理研究。利用扫描电镜(SEM)和能谱仪(EDS)追踪CMAS的位置,观察CMAS与涂层反应层的厚度与形貌。采用X射线衍射仪(XRD)测试反应层产物,并总结其失效方式。结果 高温热冲击结果显示梯度涂层的热冲击寿命(435次)远高于双陶瓷层热障涂层的寿命(229次),约为铈酸镧/氧化锆双陶瓷层热障涂层寿命的1.9倍。铈酸镧层与梯度层都能在一定程度上阻碍CMAS渗入涂层内部,提高其CMAS腐蚀条件下的热冲击寿命。双陶瓷层热障涂层与梯度热障涂层的失效均是以层状剥落为主,剥落层主要是CMAS与LC的反应层以及反应层下的烧结层,反应层是由Ca2(LaxCe1-x)8(SiO4)6O6-4x、萤石相和MgAl2O4等难熔氧化物组成,这层致密氧化物类似于密封层,能阻止CMAS继续渗入。结论 功能梯度结构具有比双陶瓷层结构更优异的抗CMAS热冲击性能和更好的应力耐受性。     

A2Zr2O7型稀土锆酸盐热障涂层研究进展

综述了国内外稀土锆酸盐热障涂层在制备技术,纳米涂层,涂层结构及涂层的热物理性能、力学性能及热腐蚀性能等方面的研究成果,讨论了稀土锆酸盐热障涂层在每个方面研究存在的不足。指出未来应该进一步改善稀土锆酸盐涂层的制备工艺及后处理工艺,提高涂层的结合强度,延长涂层的服役寿命,改善涂层耐腐蚀、抗烧结等性能;开发新的涂层制备工艺,重点研究各类纳米稀土锆酸盐涂层的性能;进一步提高涂层的隔热效果、服役温度及工作寿命。     

氧化锆（ZrO2）的热、化学性质与应用

重点分析了ZrO2的热性质、化学稳定性和其理论基础。ZrO2的导热系数极低,可用于热障涂层,介绍了热障涂层的结构和制备方法,说明了ZrO2作为热障涂层材料的优异特性。分析了ZrO2的表面能与表面酸性强度,表面酸位来源、固体超强酸的原理、性质、制备方法和应用领域。ZrO2的化学稳定性好,可作为催化剂材料基体,ZrO2基催化材料分类为纯ZrO2催化剂、负载型催化剂和复合型催化剂,列举了ZrO2基固体超强酸的反应方程式,ZrO2复合型催化剂具有更好的催化性能,论述了以CeO2-ZrO2固溶体作为三效催化剂的机理和进展。相关方法和原理可为ZrO2的热学性质研究提供系统的理论知识,将有助于理解和应用ZrO2的催化原理和表面性质。     

地面重型燃气轮机及其热障涂层的研究进展与发展趋势

国际公认的重型燃气轮机制造尖端技术之一—热障涂层技术,高温下通常面临CMAS(CaO-MgO-Al₂O₃-SiO₂)腐蚀、氧化、相变与烧结等问题,其抗CMAS腐蚀性等关键性能极大地影响涂层寿命,提高热障涂层的性能刻不容缓。对重型燃气轮机用热障涂层的研究进展与发展趋势进行全面总结与分析。首先介绍国内外重型燃气轮机的现状及发展趋势、热障涂层的系统结构、材料和几种典型的制备工艺,然后针对高温下燃气轮机热障涂层遇到的一些问题,对其隔热性、抗氧化性及抗热震性等关键性能的研究进展进行综述,最后分类详述热障涂层的CMAS腐蚀机理及其防护研究进展。综述热障涂层的几种关键性能,提出热障涂层的性能与其材料、结构及制备工艺密切相关,据此总结归纳提高热障涂层性能的方法,为热障涂层性能的提高提供参考依据,以弥补燃气轮机热障涂层领域目前缺乏这类综述文章的不足。     

Formation and behavior of thermal barrier coatings on nickel-base superalloys

Plasma-sprayed thermal barrier coatings (TBCs) have been used to extend the life of combustors. Electron beam physical vapor deposited (EB-PVD) ceramic coating has been developed for more demanding rotating as well as stationary turbine components. Here 3 kW RF magnetron sputtering equipment was used to gain zirconia ceramic coatings on hollow turbine blades and vanes, which had been deposited NiCrAIY by cathodic arc deposition. NiCrAlY coating surface was treated by shot peening; the effects of shot peening on the residual stress are presented. The results show that RF sputtered TBCs are columnar ceramics, strongly bonded to metal substrates. NiCrAlY bond coat is made of β, γ‘ and Cr phases, ZrO2 ceramic layer consists of t‘ and c phases. No degradation occurs to RF ceramic coatings after 100 h high temperature oxidation at 1150℃ and 500 thermal cycles at 1150℃ for 2 min, air-cooling.     

航空发动机涡轮叶片热障涂层研究现状

热障涂层是一种可以有效保障航空发动机涡轮叶片正常工作，同时显著提高其工作效率和服役时间的表面防护技术。热障涂层的性能在很大程度上影响叶片的承温和抗腐蚀能力，进而间接影响航空发动机的服役性能。涂层性能主要受其结构和材料2个方面的影响。介绍了涂层结构的优缺点和研究进展，当前常见的结构形式有双层结构、多层结构和梯度结构；介绍了粘结层材料的研究进展；对陶瓷层材料的研究进展进行了详述，如YSZ的掺杂改性、A₂B₂O₇型化合物、钙钛矿结构材料以及近年来兴起的几种高熵陶瓷材料，其中高熵陶瓷材料包括：高熵稀土钽酸盐、铝酸盐、锆/铪酸盐、磷酸盐、硅酸盐以及高熵稀土氧化物，分别从热导率、热膨胀系数、断裂韧性、热循环寿命和抗腐蚀能力等方面对其进行介绍；概述了热障涂层常见的几种失效形式如：TGO失效、CMAS腐蚀以及高温烧结，并且对其发生机理进行简要的介绍；展望了热障涂层未来的发展趋势和方向。     

Furnace cyclic oxidation behavior of multicomponent low conductivity thermal barrier coatings

Ceramic thermal barrier coatings (TBCs) will play an increasingly important role in advanced gas turbine engines due to their ability to further increase engine operating temperatures and reduce cooling, thus helping achieve future engine low emission, high efficiency, and improved reliability goals. Advanced multicomponent zirconia (ZrO₂)-based TBCs are being developed using an oxide defect clustering design approach to achieve the required coating low thermal conductivity and high-temperature stability. Although the new composition coatings were not yet optimized for cyclic durability, an initial durability screening of the candidate coating materials was conducted using conventional furnace cyclic oxidation tests. In this paper, furnace cyclic oxidation behavior of plasma-sprayed ZrO₂-based defect cluster TBCs was investigated at 1163°C using 45 min hot-time cycles. The ceramic coating failure mechanisms were studied using scanning electron microscopy (SEM) combined with x-ray diffraction (XRD) phase analysis after the furnace tests. The coating cyclic lifetime is also discussed in relation to coating processing, phase structures, dopant concentration, and other thermo-physical properties.     

EB-PVD热障涂层热循环过程中粘结层的氧化和相结构

采用磁控溅射方法在镍基单晶高温合金基体上沉积Ni-30Cr-12Al-0.3Y（质量分数，％）粘结层，采用电子束物理气相沉积方法（EB－VPD）沉积7％Y2O3（质量分数）－ZrO2陶瓷顶层，结果表明，在热循环过程中，非平衡相t′-ZrO2中的Y2O3含量逐渐减少，t′－ZrO2相逐渐分解成平衡相t-ZrO2（冷却时变转变成斜相）和立方组ZrO2,1050℃循环200次，粘结层氧化物（Al2O3)厚度约为3μm，表明Ni-Cr-Al-Y达宜作粘结层，继续热循环，陶瓷层中出现单斜阳，粘结层中Al贫化，氧化层中出现NiO及尖晶石等，引起应力集中，导致涂层失效。     

用于热障涂层的锆酸钆材料研究进展

为了满足新型航空发动机的性能要求,需要开发出能在超高温条件下服役的热障涂层材料.近年来已有多种陶瓷材料被证实在热障涂层领域具有发展前景,在这之中,稀土锆酸盐材料有着高温下热导率较低与稳定性良好的特点,其中又以锆酸钆材料的热导率最低,热膨胀系数最高.概述了锆酸钆材料的结构特点,对其在高温下发生的有序无序转变进行了介绍,总...     

晶须增韧等离子喷涂陶瓷涂层的可控制备与力学性能研究

针对新一代航空发动机和重型燃气轮机对长寿命、高韧性热障涂层的迫切需求,本文通过喷雾造粒法制备了长径比为10的ZrO2晶须复合YSZ喷涂粉末,采用SAPS技术制备了YSZ/ZrO2晶须増韧陶瓷复合涂层,对复合涂层的工艺参数进行优化,研究了熔融指数对陶瓷复合涂层微观结构的影响规律;通过狭缝法收集单个摊片的实验,阐明了ZrO2晶须增韧YSZ陶瓷涂层的形成机理,建立了晶须増韧陶瓷涂层的微观结构与热力学性能的内在关系。基于晶须弥散分布于复合涂层未熔颗粒区的特征,相比纳米结构YSZ涂层,YSZ/ZrO2晶须増韧陶瓷复合涂层的断裂韧性与热循环寿命均提高一倍。