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。     

新型稀土锆酸盐材料研究进展

稀土锆酸盐是高温热障涂层与高温固体电解质的候选材料之一,通式为Ln2Zr2O7（Ln为稀土元素）,具有烧绿石结构或缺陷型萤石结构;具有高熔点、低热导率、高热膨胀系数、高化学稳定性、相对低的传导温度、优良的离子导电性能和高辐射稳定性等特点,在诸多领域得到广泛应用。综述了目前国内外稀土锆酸盐材料的热物理性能、电学性能和力学性能方面的最新研究进展,展望了未来稀土锆酸盐材料在热障氧化物材料和固体氧化物燃料电池电解质方面的应用前景。     

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.     

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.     

（Gd0．4Sm0．5Yb0．1）2Zr2O7陶瓷的合成与导热性能研究

以Gd2O3、Sm2O3、Yb2O3和ZrOCl2·8H2O为原料，采用化学共沉淀法合成了一种新型的多元稀土锆酸盐（Gd0．4Sm0．5Yb0.1）2Zr2O7陶瓷粉体，在1600℃无压烧结10h合成了致密的陶瓷块体。用X射线衍射仪（XRD）／及场发射扫描电镜（SEM）对粉体和块体的微观结构进行了表征，采用激光闪射法测试了块体的导热性能。结果表明，制备的多元稀土锆酸盐陶瓷粉体具有焦绿石结构，晶粒细小，陶瓷的热导率明显低于一元稀土锆酸盐Sm2Zr2O7的热导率。该研究结果显示（Gd0.4Sm0.5Yb0.1）2Zr2O7，多元稀土锆酸盐陶瓷有可能应用于热障涂层陶瓷层材料。     

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。     

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.     

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。     

激光合金化掺杂TiC对等离子喷涂8YSZ热障涂层热腐蚀行为的影响*

传统的等离子喷涂热障涂层在高温环境下服役易受熔融腐蚀盐渗透而过早剥落失效，研究激光合金化掺杂自愈合材料 TiC 对热障涂层热腐蚀行为的影响具有重要意义。采用大气等离子喷涂技术（Atmospheric plasma spray，APS）在 Inconel 718 镍基高温合金表面制备 NiCrAlY 粘结层，采用大气等离子喷涂技术在 NiCrAlY 粘结层上制备 8 wt.%氧化钇部分稳定的氧化锆（8 wt.% yttria partially stabilized zirconia，8YSZ）陶瓷层，构建典型双层结构热障涂层体系。采用 1 kW 光纤耦合激光器将自愈合材料 TiC 熔于 8YSZ 热障涂表层，并考察其在 900 ℃下 25%NaCl+75%Na₂SO₄混合熔盐中保温 4 h 的热腐蚀行为。结果表明，与等离子喷涂涂层相比，激光合金化改性热障涂层表面更加光滑，分布有网状裂纹，且结构致密。等离子喷涂涂层的热腐蚀产物主要是针状颗粒 Y₂(SO₄)₃ 和 m-ZrO₂，但仅有较少的热腐蚀盐渗透至激光合金化改性热障涂层内部，其热腐蚀产物为 Y₂(SO₄)₃ 和少量的 TiO₂。激光合金化改性热障涂层的抗热腐蚀性能较等离子喷涂态热障涂层提升 55.5%，一方面激光合金化改性层组织致密，可阻止热腐蚀盐渗透至涂层内部，另一方面，激光合金化改性热障涂层表面粗糙度更低，能减少与热腐蚀盐的接触面积。此外，自愈合材料 TiC 在高温下发生氧化反应引起体积膨胀，实现裂纹的部分自愈合效应，进一步阻止了热腐蚀反应的发生。采用激光表面改性技术将自愈合材料 TiC 引入热障涂层，激光合金化改性热障涂层不仅具有光滑的表面形貌，还具有致密的微观组织结构；同时自愈合材料 TiC 在高温环境下的裂纹自愈合效应有助于抑制热腐蚀盐的渗透， 最终提高热障涂层的抗热腐蚀性能。     

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...     

Reaction, transformation and delamination of samarium zirconate thermal barrier coatings

The rare earth zirconates have attracted interest for thermal barrier coatings (TBCs) because they have very low intrinsic thermal conductivities, are stable above 1200 °C and are more resistant to sintering than yttria-stabilized zirconia (YSZ). Samarium zirconate (SZO) has the lowest thermal conductivity of the rare earth zirconates and its pyrochore structure is stable to 2200 °C but little is known about its response to thermal cycling. Here, columnar morphology SZO coatings have been deposited on bond coated superalloy substrates using a directed vapor deposition method that facilitated the incorporation of pore volume fractions of 25 to 45%. The as-deposited coatings had a fluorite structure which transformed to the pyrochlore phase upon thermal cycling between 100 and 1100 °C. This cycling eventually led to delamination of the coatings, with failure occurring at the interface between the TGO and a “mixed zone” that formed between the thermally grown alumina oxide (TGO) and the SZO. While the delamination lifetime increased with coating porosity (reduction in coating modulus), it was significantly less than that of similar YSZ coatings applied to the same substrates. The reduced life resulted from a reaction between the rare earth zirconate and the alumina-rich bond coat TGO, leading to the formation of a mixed zone consisting of SZO and SmAlO₃. Thermal strain energy calculations show that the delamination driving force increases with TGO and mixed layer thicknesses and with coating modulus. The placement of a 10 μm thick YSZ layer between the TGO and SZO layers eliminated the mixed zone and restored the thermal cyclic life to that of YSZ structures.     

稀土氧化物陶瓷材料在热障涂层上的应用现状

航空发动机技术的发展,要求热障涂层用陶瓷材料应具有更低的热导率和更高的相稳定性能.由于稀土氧化物陶瓷材料在热障涂层上的广泛应用,综述了稀土氧化物涂层、镧铝氧化物及稀土氧化物(一元、二元、多元)稳定ZrO2等热障涂层材料的研究现状.结果指出进一步的研究应集中于3个方面:1) 采用合适的方法提高稀土氧化物的高温相稳定性;2)改进镧铝氧化物的热物理性能;3)采用合适的氧化物对ZrO2基热障涂层材料进行掺杂,以进一步改善其热物理性能等.     

航空航天用金属表面热防护涂层的研究进展

高温合金材料凭借其优异的综合性能而广泛应用于航空航天领域热端部件.近年来,随着航空航天技术的不断发展,飞行器的热端部件正逐渐面临着更为严峻和复杂的服役环境,因此对高温合金的耐高温、抗氧化等使用性能提出了更高的要求.表面涂层技术由于具有约束条件少、可设计性强、技术类型和材料的选择空间大、经济环保等优点,成为目前最常用的热...     

Nanocomposite Lanthanum Zirconate Thermal Barrier Coating Deposited by Suspension Plasma Spray Process

This work seeks to develop an innovative nanocomposite thermal barrier coating (TBC) exhibiting low thermal conductivity and high durability compared with that of current TBCs. To achieve this objective, nanosized lanthanum zirconate particles were selected for the topcoat of the TBC system, and a new process—suspension plasma spray—was employed to produce desirable microstructural features: the nanocomposite lanthanum zirconate TBC contains ultrafine splats and high volume porosity, for lower thermal conductivity, and better durability. The parameters of plasma spray experiment included two main variables: (i) spray distance varying from 40 to 80 mm and (ii) the concentration of suspension 20, 25, and 30 wt.%, respectively. The microstructure of obtained coatings was characterized with scanning electron microscope and x-ray diffraction. The porosity of coatings is in the range of 6-10%, and the single phase in the as-sprayed coatings was pyrochlore lanthanum zirconate.     

纳米CeO_(2p)对镍基高温合金表面NiCoCrAlY激光熔覆涂层氧化行为的影响

纳米CeO2p是合金中最为常用的一种稀土改性材料,可明显改善合金的抗氧化性能.为了研究纳米CeO2p对双层热障涂层中NiCoCrAlY粘结层抗氧化性能的影响,本文采用激光熔覆技术,在镍基高温合金表面卜制备了4种纳米CeO2p含量不同的NiCoCrAlY粘结涂层,分析了它们在1050℃空气氛围中的等温氧化行为,并初步探讨了纳米CeO2p的作用机制.结果表明:添加纳米CeO2p的涂层的抗氧化性能均高于未加纳米颗粒的涂层,其中添加2%(质量分数)纳米CeO2p的涂层抗氧化性能最好.在氧化100 h后,添加2%纳米CeO2p涂层的质量增加仅为1.56 mg/cm2,较未加纳米颗粒的涂层减少一半以上;同时,涂层进入稳态氧化所需要的时间极短,仅为未加纳米颗粒的涂层的1/20;此外,涂层氧化膜在长时间氧化后仍很致密,涂层内部仅出现轻微的内氧化,而相同氧化条件下的未加纳米颗粒的涂层的氧化膜已趋于失效.     

Detection of a marker layer in a 7YSZ thermal barrier coating by femtosecond laser-induced breakdown spectroscopy

A new technique for detection of thickness loss in thermal barrier coatings caused by erosion or foreign/domestic object damage has been demonstrated for a 7YSZ thermal barrier coating. The thickness loss was assessed via femtosecond laser-induced breakdown spectroscopy (fs-LIBS) inspection for a marker layer of gadolinium zirconate, embedded at a critical depth within the 7YSZ coating. Spectroscopic detection of the marker layer was possible at fluence levels as low as 18 J cm^− 2, which is about 11 times the ablation threshold fluence for 7YSZ. The surface damage caused by the laser pulses was minimal and consisted of extremely small individual circular craters with approximate diameter of 30 μm. Further, the laser action also did not cause any cracking in the 7YSZ layer. The minimal collateral damage associated with fs-laser pulses is one of the major advantages of fs-LIBS for spectroscopic characterization of thermal barrier coatings.     

热障涂层失效机理、改进方法及未来发展方向

热障涂层(Thermal Barrier Coatings,TBCs)是用于航空发动机及燃气轮机的一种高效功能性隔热涂层,常用材料为氧化钇(质量分数6％～8％)部分稳定氧化锆(YSZ).首先,从TGO生长、高温烧结、CMAS腐蚀、盐雾腐蚀和热膨胀失配等方面介绍了YSZ的失效机理,以上因素会从不同程度上造成涂层分层、开裂...