Er2O3掺杂Gd2(Zr0.8Ti0.2)2O7陶瓷的物理性能

用固相反应法制备(Gd_1-xEr_x)₂(Zr_0.8Ti_0.2)₂O₇(摩尔分数x=0,0.2,0.4)陶瓷并测试其晶体结构、显微形貌和物理性能,研究了Er₂O₃掺杂的影响。结果表明,(Gd_1-xEr_x)₂(Zr_0.8Ti_0.2)₂O₇陶瓷具有立方烧绿石结构,显微结构致密,在室温至1200℃高温相的稳定性良好;Er³⁺掺杂降低了陶瓷材料的热导率和平均热膨胀系数,当x=0.2时,其1000℃的热导率最低(为1.26 W·m^-1·k^-1)。同时,Er³⁺掺杂还提高了这种材料的硬度和断裂韧性。     

稀土锆酸盐热障涂层材料研究进展

稀土锆酸盐是最有希望应用于未来高性能航空发动机的热障涂层材料之一。归纳了国内外研究者在稀土锆酸盐类陶瓷材料上取得的结果,系统分析了不同位置全取代或部分取代得到的掺杂陶瓷材料的热物理性能和力学性能,并讨论了热障涂层材料研究的发展趋势,最后指出了稀土高酸盐热障涂层材料需要进一步研究的关键问题。     

Gd2Zr2O7陶瓷的高温热物理性能及Gd2Zr2O7-8YSZ双涂层制备

通过高温固相合成方法制备了烧绿石结构Gd₂Zr₂O₇陶瓷材料,研究了其高温相稳定性和热物理性能。采用电子束物理气相沉积方法制备了Gd₂Zr₂O₇-8YSZ(8%Y₂O₃-ZrO₂)双陶瓷层结构热障涂层,分析了涂层顶层的晶体结构和原子数量比。结果表明,Gd₂Zr₂O₇在室温至1500℃范围内具有良好的相稳定性,比第一代热障涂层8YSZ的高温相稳定区间提高250℃以上。Gd₂Zr₂O₇块材的热膨胀系数在100~1500℃范围内介于8.8×10^-6~11.0×10^-6 K^-1之间,与8YSZ接近; 在1000~1400℃高温区间,热导率约为1.0 W(m·K)^-1,比8YSZ降低一半左右。沉积制得的Gd₂Zr₂O₇涂层化学成分符合化学计量比,为烧绿石结构,涂层呈现典型的柱状晶结构。     

掺杂纳米CeO2对ZrO2-Y2O3热障涂层隔热性能的影响

以纳米ZrO₂-8 wt%Y₂O₃(YSZ)和在纳米ZrO_2-8wt%Y₂O₃中分别掺杂25wt%和50wt%纳米CeO₂团聚处理后作为隔热层材料,NiCrAlY(Ni-25Cr-5Al-0.5Y,wt %)作为粘结层材料,用等离子喷涂(APS)方法在GH30高温合金表面制备三种材料体系的热障涂层(TBC) 。通过扫描电镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)对掺杂了25wt%纳米CeO₂涂层的微观组织结构进行分析研究,测定了三种材料涂层在室温和 300、500、700℃时的热导率,并在相同边界条件下测试了它们的隔热性能。结果表明：掺杂纳米CeO₂涂层组成相为稳定的t相(t-ZrO₂、t-Zr_0.82Y_0.18O_1.91、t-Zr_0.82Ce_0.18O₂)和c相(c-CeO₂) , 涂层中存在闭合的孔隙和微裂纹;掺杂纳米CeO₂能够降低涂层的热导率,并且隔热性能随CeO₂含量的增加而提高。对于 400μm厚的CeO₂/ZrO₂-Y₂O₃涂层(CYZ , 掺杂25wt%CeO₂)对基体产生的温降比纳米YSZ涂层提高了10.7%,当CeO₂的含量从25wt%提高到50wt%时,隔热性能也提高了7.1%。     

热障涂层材料

热障涂层可以降低金属基底的温度、提高油料的燃烧温度和燃烧效率,而且还可以防止金属基底的高温腐蚀,在燃气轮机和柴油动力方面都有重要的应用价值。适合于做热障涂层的材料非常有限,它们必须符合一些基本条件:高熔点、在使用温度和室温之间无相变、热膨胀系数与金属基底匹配、热传导率低、与金属基底结合好,等等。具有高熔点的化合物中的元素基本分布在元素周期表中的ⅡA(Be,Mg,Ca)、ⅢA(Al)、ⅢB(Sc,Y,RE)、ⅣB(Zr,Hf),以及C、Si、B、N之间的共价化合物。稀土氧化物的熔点都在2000℃以上、热传导率低、而且化学性质稳定,是重要的热障涂层侯选材料。稀土化合物的热膨胀系数与高温合金不仅接近,而且其随温度的变化趋势与高温合金基本平行。双陶瓷层热障涂层综合利用各种材料的优点,能大大延长涂层的热循环寿命,是热障涂层新结构的一个重要发展方向。     

高熵稀土氧化物热障涂层材料研究进展

热障涂层(Thermal barrier coating, TBC)材料在航空发动机和燃气轮机的热防护中具有保护高温合金基底免受氧化及腐蚀,并降低高温合金的工作温度的重要作用。新型热障涂层材料中存在许多高熵稀土氧化物,能够实现比单一主成分稀土氧化物更优异的热学、力学、高温相稳定性以及抗烧结、耐腐蚀等性能。但是目前对高熵稀土氧化物的研究仍然停留在初步阶段,其中稀土元素对材料性能的作用尚未完全明确,且没有形成统一标准。简要概述了热障涂层的基本结构,并重点总结了高熵锆酸盐、铈酸盐、铪酸盐、钽酸盐和铌酸盐等5种高熵稀土酸盐的晶体结构、热物理性能与力学性能。对比分析了其与相应的单一组分稀土酸盐的差异,并探讨了影响其性能优劣的多种因素。相比于单一组分稀土氧化物,高熵稀土氧化物的热导率、热膨胀系数和相稳定性均有明显改善。最后,展望了未来高熵稀土热障涂层的发展方向。     

多元稀土氧化物掺杂二氧化锆基陶瓷材料的热物理性能

稀土氧化物(RE)掺杂氧化钇稳定二氧化锆(YSZ)是提高传统YSZ热障涂层隔热性能和高温稳定性的有效途径之一。在1500 ℃高温固相反应烧结24 h制得Gd₂O₃和Yb₂O₃多元稀土氧化物掺杂的YSZ(含3.5%Y₂O₃(摩尔分数))(GY-YSZ)陶瓷材料。采用XRD研究了GY-YSZ 陶瓷材料的晶体结构和物相组成; 采用激光脉冲法研究了Gd₂O₃和Yb₂O₃掺杂对GY-YSZ 陶瓷材料的热物理性能的影响规律。研究发现, 掺杂2.0%~3.0%Gd₂O₃和Yb₂O₃(摩尔分数)后GY-YSZ的热导率为0.90~1.15 W·(m·K)-1, 比YSZ降低30%以上, 显示了良好的隔热性能。稀土氧化物掺杂对YSZ陶瓷材料热物理性能的影响机制为: 掺杂Gd₂O₃和Yb₂O₃导致YSZ中单斜相(M)、 四方相(T)和立方相(C)含量发生变化, 同时YSZ晶格发生畸变。      

基于热障涂层的La2Zr2O7材料改性研究进展

随着航空发动机不断向高推重比、高性能方向发展,传统、单一的热障涂层(Thermal barrier coating, TBC)已经不能满足热端部件严苛的服役要求。锆酸镧(La₂Zr₂O₇)具有熔点高、高温下结构稳定、低热导率等优点,具有极好的隔热性能,有望成为新一代热障涂层候选材料,但在实际应用中仍存在两大关键问题,即热膨胀系数低和断裂韧性差。因此,La₂Zr₂O₇材料在服役过程中会因热失配而造成局部热应力集中,导致涂层过早剥落失效,严重影响涂层的服役寿命。国内外研究表明,对La₂Zr₂O₇材料进行改性可以有效解决上述问题。为此,系统分析了关于La₂Zr₂O₇材料改性的研究工作,将La₂Zr₂O₇材料改性总结为4类：第二相复合、稀土掺杂、纳米化和高熵化。重点介绍...     

稀土氧化物掺杂对YSZ热障涂层热物理性能影响的研究进展

随着航空发动机和燃气轮机(简称“两机”)服役温度的升高,目前,在两机热端部件表面防护方面应用最为广泛的热障涂层(Thermal barrier coatings, TBCs)存在陶瓷层材料氧化钇稳定氧化锆(Yttria-stabilized zirconia, YSZ)在高温下会发生相转变、热膨胀系数与金属基底不匹配以及烧结导致涂层的热导率升高等问题,严重影响TBCs的服役寿命。新一代TBCs陶瓷面层材料分为以下几类：(1)稀土氧化物稳定YSZ;(2)钙钛矿结构陶瓷材料;(3)稀土六铝酸盐或稀土钽酸盐;(4)烧绿石或萤石结构稀土锆酸盐。其中,稀土氧化物掺杂可有效降低YSZ热障涂层的热导率,提高其热膨胀系数、高温相稳定性及耐烧结性能,被认为是提高YSZ热障涂层高温稳定性的有效方法。基于此,本文重点阐述了单元或多元稀土氧化物掺杂YSZ热障涂层材料的研究进展,讨论了稀土氧化物掺杂对YSZ陶瓷面层高温相稳定性、热导率和热膨胀系数的影响机理。基于耦合作用机理为未来稀土氧化物掺杂YSZ热障涂层的研发提供一定的借鉴。     

稀土氧化物掺杂改性YSZ热障涂层研究现状与趋势

随着科技的进步与发展,面对日趋复杂的工作环境,传统的氧化钇部分稳定的氧化锆(Yttria partially stabilized zirconia)热障涂层材料在高于1200℃的环境下服役时,易出现相变、烧结收缩严重等问题,降低了涂层的隔热性能,同时伴随有一定的体积变化而加速涂层的剥落,需要研发性能更好的热障涂层以适应未来的工作环境.新一代热障涂层分为以下几类:(1)掺杂稀土氧化物改性YSZ热障涂层;(2)萤石或焦绿石结构热障涂层;(3)钇铝石榴石或磁铁铅矿热障涂层;(4)钙钛矿结构热障涂层.其中,采用稀土氧化物掺杂对YSZ进行改性的热障涂层由于可以有效降低热障涂层的热导率,提高其高温相稳定性、高温抗氧化性、高温抗腐蚀性能等而引起国内外学者的关注.本文主要介绍了目前几种有希望代替传统YSZ涂层的稀土氧化物掺杂改性YSZ热障涂层,稀土氧化物包括CeO2、Sc2 O3、Gd2 O3、La2 O3,对不同稀土氧化物掺杂改性YSZ热障涂层材料的物理化学性质、研究现状及存在的问题进行了综述.其中掺杂CeO2可降低涂层的热导率,使其耐Na2 SO4腐蚀能力增强,并提高其热稳定性;掺杂Sc2 O3不仅降低涂层的热导率,还大大提高其相稳定性,使涂层在1500℃高温下经过长时间热处理后仍然保持单一的t'相;掺杂Gd2 O3可有效提高其耐热腐蚀性,但过量掺杂会降低涂层的力学性能;掺杂La2 O3可增强涂层的抗烧结能力,有效降低其热导率.本文还对影响稀土氧化物掺杂改性YSZ热障涂层性能的其他因素(如制粉方式、喷涂工艺等)的研究现状进行了简单的介绍,对今后热障涂层体系的发展趋势及研发思路进行总结,为新型热障涂层的研制提供参考.     

单相双稀土改性SrZrO3热障涂层的热物理性能

由于SrO和ZrO₂的蒸气压不同, 造成等离子喷涂SrZrO₃涂层组分偏离原始粉末化学计量比, 从而导致制备态涂层中出现第二相ZrO₂。为了获得高相稳定性的单相涂层, 实验采用固相合成法合成并经过喷雾造粒制备了双稀土改性Sr过量SrZrO₃(Sr_1.1(Zr_0.9Yb_0.05Gd_0.05)O_3.05)热喷涂粉末, 采用大气等离子喷涂方法制备了相应的涂层, 研究了单相双稀土改性SrZrO₃热障涂层的热物理性能及其热循环寿命。研究结果表明, 制备态Sr_1.1(Zr_0.9Yb_0.05Gd_0.05)O_3.05涂层中无第二相产生, 1600 ℃热处理360 h后Sr_1.1(Zr_0.9Yb_0.05Gd_0.05)O_3.05保持单相SrZrO₃结构, 高温相稳定性良好。Sr_1.1(Zr_0.9Yb_0.05Gd_0.05)O_3.05涂层的烧结系数为7.27×10 ^-6 s ^-1, 热处理360 h后该涂层的热膨胀系数为(9.0~11.0)×10 ^-6 K ^-1 (200~1400 ℃), 热导率为2.83 W/(m?K) (1000 ℃)。Sr_1.1(Zr_0.9Yb_0.05Gd_0.05)O_3.05/YSZ双层涂层的火焰循环次数为1000次, 失效区域主要发生在Sr_1.1(Zr_0.9Yb_0.05Gd_0.05)O_3.05陶瓷层内。在喷涂粉末中增加SrO的含量能够弥补在大气等离子喷涂过程中Sr元素过量挥发的问题, 成功制备了单相双稀土改性Sr_1.1(Zr_0.9Yb_0.05Gd_0.05)O_3.05热障涂层。双稀土掺杂能够明显提高涂层的热膨胀系数, 且单相双稀土改性Sr_1.1(Zr_0.9Yb_0.05Gd_0.05)O_3.05涂层的抗烧结性能明显优于SrZrO₃涂层, 但单相Sr_1.1(Zr_0.9Yb_0.05Gd_0.05)O_3.05涂层热导率比含有第二相的SrZrO₃涂层高。     

稀土Dy和Ce共掺杂La2Zr2O7新型热障涂层用陶瓷材料

用化学沉淀法制备了稀土Dy和Ce共掺杂La2Zr2O7新型热障涂层用陶瓷粉末Lal.7Dy0.3(Zr0.8CeZr0.2)2-O7(LDCZ).通过X射线衍射、扫描电镜、高温膨胀仪、DSC和激光热导仪对粉末相结构、不同煅烧温度下的相组成、微观结构,高温相稳定性,热膨胀系数和导热系数进行了分析.结果表明,稀土共掺杂的La1.7Dy0.3(Zr0.8CeZr0.2)2O7保持了烧绿石结构,120℃时粉末为无定形的混合氧化物,900℃时转化为复合氧化物,1200℃时转变为单一的烧绿石相;高温下LDCZ无明显相变;添加Dy和Ce不仅可提高锆酸镧的热膨胀系数,使其高于8YSZ的热膨胀系数,并可使其导热系数较La2Zr2O7降低25%以上,达到1.28～1.07W/m.K.     

Preparation and studies of Eu and Tb co-doped Gd2O3 and Y2O3 sol-gel scintillating films

Eu³⁺ (2.5 at.%) and Tb³⁺ (0.005-0.01 at.%) co-doped gadolinium and yttrium oxide (Gd₂O₃ and Y₂O₃) powders and films have been prepared using the sol-gel process. High density and optical quality thin films were prepared with the dip-coating technique. Gadolinium (III) 2,4-pentadionate and yttrium (III) 2,4-pentadionate were used as precursors, and europium and terbium in their nitrate forms were used as doping agents. Chemical and structural analyses (infrared spectroscopy, X-ray diffraction and high-resolution transmission electron microscopy) were conducted on both sol-gel precursor powders and dip-coated films. The morphology of thin films heat-treated at 700 °C was studied by means of atomic force microscopy. It was shown that the highly dense and very smooth films had a root mean roughness (RMS) of 2 nm ± 0.2 (A = 0.0075 Tb³⁺) and 24 nm ± 3.0 (B = 0.01 Tb³⁺). After treatment at 700 °C, the crystallized films were in the cubic phase and presented a polycrystalline structure made up of randomly oriented crystallites with grain sizes varying from 20 to 60 nm. The X-ray induced emission spectra of Eu³⁺- and Tb³⁺-doped Gd₂O₃ and Y₂O₃ powders showed that Tb³⁺ contents of 0.005, 0.0075 and 0.01 at.% affected their optical properties. Lower Tb³⁺ concentrations (down to 0.005 at.%) in both systems enhanced the light yield.     

Structural and optical analysis of nanocrystalline thin films of mixed rare earth oxides (Y1-xErx)2O3

Nanocrystalline thin films of mixed rare earth oxides (Y_1-xEr_x)₂O₃(0.1 ≤ x ≤ 1) were deposited by electron beam evaporation technique on polished fused silica glass at different substrate temperatures (200-500 °C). The effect of the substrate temperature as well as the mixing parameter (x) on the structural and optical properties of these films has been investigated by using X-ray diffraction (XRD), energy dispersive x-ray analysis and optical spectrophotometry. XRD investigation shows that mixed rare earth oxides film (Y_1-xEr_x)₂O₃ grown at lower substrate temperature (T_s ≤ 300 °C) are poorly crystalline, whereas films grown at higher substrate temperatures (T_s ≥ 400 °C) tend to have better crystallinity. Furthermore, the mixing parameter (x) was found to stabilize the cubic phase over the entire of 0.1 ≤ x ≤ 1. The crystallite size of the films was found to vary in the range from 25 to 39 nm. Optical band gap of the films was deterimined by analysis of the absoprtion coeffifcient. For films deposited at different substrate temperatures direct and indirect transitions occur with energies varied from 5.29 to 5.94 eV and from 4.23 to 4.51 eV, respectively. However, films of different composition x, give optical band gap varied from 6.14 to 5.86 eV for direct transition and from 5.23 to 4.22 eV for indirect transitions. Consequently, one may conclude that it is possible to tune the energy band gap by relative fraction of constituent oxides. It was found that optical constants increase with increasing the substrate temperature. Nevertheless, the values of n and k decrease with increasing the mixing parameter, x.     

LaMeAl11O19/YSZ热障涂层热力学性能和热循环寿命

LaMeAl₁₁O₁₉陶瓷具有独特的晶体结构, 优异的热力学性能, 低热导率, 高温相稳定性等特点, 是一类非常有应用前景的热障涂层(TBC)材料。本研究通过大气等离子喷涂(APS)制备了LaMeAl₁₁O₁₉/YSZ (Me=Mg, Cu, Zn)双陶瓷层热障涂层。通过对涂层进行火焰热循环测试并结合扫描电子显微镜、X射线衍射仪等分析技术对涂层进行失效分析。结果表明, LaMgAl₁₁O₁₉ (LMA)、LaZnAl₁₁O₁₉ (LZA)和LaCuAl₁₁O₁₉ (LCA)粉末在等离子喷涂过程中发生了分解, 导致三种涂层中磁铅石相含量的差异, 从而影响三种涂层的热循环寿命。由于LaMeAl₁₁O₁₉层与YSZ层的热膨胀系数不匹配以及非晶相重结晶产生的体积收缩, LaMeAl₁₁O₁₉层从YSZ层上剥落。YSZ层暴露在高温下, 加速了烧结和TGO的生长, 又促进了YSZ层剥落。低温下, LaMeAl₁₁O₁₉的热导率随着Me原子序数增加而降低; 高温下, 与LMA和LZA相比, LCA涂层红外发射率最高(0.88, 600 ℃), 削弱了光子传导对热导率的贡献, 导致热导率降低, LCA在高温红外辐射涂层中具有潜在的应用价值。     

YSZ-Ti3AlC2热障涂层及其高温自愈合行为

采用Ti₃AlC₂作为新型自愈合剂, 利用大气等离子喷涂将混合均匀的YSZ-Ti₃AlC₂粉体制成厚涂层。为观测高温下涂层氧化及裂纹的自愈合行为, 通过外加载荷的方式在涂层表面预制裂纹, 并将样品置于1050℃空气气氛中进行热处理。通过分析涂层制备、热处理前后的物相和形貌演变发现：涂层中的部分Ti₃AlC₂在喷涂后分解为TiC, 热处理后涂层表面形成外层为TiO₂, 内层为TiO₂和Al₂O₃混合物的双层结构。在自愈合过程中, 裂纹内的愈合剂氧化生成Al₂O₃与低密度的TiO₂, 随着扩散控制的氧化反应不断进行, 氧化物逐渐积累并填补裂纹。此外, 在TiO₂生成的同时引起的体积膨胀使裂纹周围产生一定的压应力, 强化愈合效果, 最终完全愈合裂纹。     

Thermal expansion studies of Gd2Mo3O12 and Gd2W3O12

Simultaneous thermogravimetric/differential thermal analysis of Gd₂Mo₃O₁₂ showed an irreversible phase transition at 1178 K where as Gd₂W₃O₁₂ showed reversible phase transition at 1433 K, which were confirmed by powder X-ray diffraction. The thermal expansion behavior of α-Gd₂Mo₃O₁₂ (room temperature phase), β-Gd₂Mo₃O₁₂ (phase obtained by heating Gd₂Mo₃O₁₂ at 1223 K) and Gd₂W₃O₁₂ have been investigated using high temperature X-ray diffractometer. The cell volume of α-Gd₂Mo₃O₁₂, β-Gd₂Mo₃O₁₂ and Gd₂W₃O₁₂, fit into polynomial expression with respect to temperature, showed positive thermal expansion up to 1073, 1173 and 1173 K, respectively. The average volume expansion coefficients for α-Gd₂Mo₃O₁₂, β-Gd₂Mo₃O₁₂ and Gd₂W₃O₁₂ are 39.52 × 10⁻⁶, 21.23 × 10⁻⁶ and 37.96 × 10⁻⁶ K⁻¹, respectively.     

Application of Rare Earths in Thermal Barrier Coating Materials

Rare earths are a series of minerals with special properties that make them essential for applications including miniaturized electronics, computer hard disks, display panels, missile guidance, pollution controlling catalysts, H2-storage and other advanced materials. The use of thermal barrier coatings （TBCs） has the potential to extend the working temperature and the life of a gas turbine by providing a layer of thermal insulation between the metallic substrate and the hot gas. Yttria （Y203）, as one of the most important rare earth oxides, has already been used in the typical TBC material YSZ （yttria stabilized zirconia）. In the development of the TBC materials, especially in the latest ten years, rare earths have been found to be more and more important. All the new candidates of TBC materials contain a large quantity of rare earths, such as R2Zr207 （R=La, Ce, Nd, Gd）, CeO2-YSZ, RMeAI11019 （R=La, Nd; Me=Mg, Ca, Sr） and LAP04. The concept of double-ceramic- layer coatings based on the rare earth materials and YSZ is effective for the improvement of the thermal shock life of TBCs at high temperature.     

热障涂层研究的历史与现状

航空发动机性能的提高，对涂层技术提出了新的要求。综述了热障涂层系统的原理、应用及发展历史，分析了不同方法制造的底层，面层特点，讨论了影响热障涂层寿命的几个因素，并对破坏机理进行了阐述。