本文關鍵詞：新型Sm_2Zr_2O_7熱障涂層材料與性能研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

《北京理工大學》 2014年

新型Sm_2Zr_2O_7熱障涂層材料與性能研究

孫現(xiàn)凱  

【摘要】：隨著航空發(fā)動機和地面燃氣輪機熱端部件的隔熱效果和使用溫度要求的提高，傳統(tǒng)的YSZ涂層越來越難以滿足需求。因此，新型熱障涂層材料成為研究的熱點領域。焦綠石結構的Sm2Zr2O7（SZO）陶瓷材料具有熱導率低、熔點高及相結構穩(wěn)定等特點成為重要的候選材料之一。但是，研究結果表明，采用SZO陶瓷材料制備的熱障涂層，其熱沖擊性能較差，該缺點嚴重制約著SZO熱障涂層的實際應用。本論文主要研究如何提高SZO熱障涂層的熱沖擊性能。 本論文通過A位和B位同時摻雜材料改性、涂層結構優(yōu)化及真空預氧化處理等方面的研究，探討SZO熱障涂層的熱沖擊失效機理，確定影響SZO熱障涂層抗熱沖擊性能的關鍵影響因素，得出的主要研究結果如下： 采用化學共沉淀合成了SZO和(La0.5Sm0.5)2(Zr1-xCex)2O7（x=0.1，0.2，0.3，0.4，0.5）陶瓷材料。當x0.3時，(La0.5Sm0.5)2(Zr1-xCex)2O7材料的相結構為焦綠石結構；當x＞0.3時，其相結構為螢石結構；(La0.5Sm0.5)2(Zr0.7Ce0.3)2O7（LSZCO）粉末比表面積的影響因素顯著性順序為：pH值＞PAA添加量＞反應物濃度＞反應溫度，得到的優(yōu)化工藝參數(shù)為pH=11、PAA添加量0.6vol%、反應物濃度為0.6mol/L、反應溫度50oC，采用該工藝制備的前驅體粉末粒徑范圍為15～40nm。 分別采用球磨、噴霧干燥和感應等離子體球化制備了SZO團聚體粉末，噴霧干燥和感應等離子體球化制備的SZO團聚體粉末具有更加優(yōu)良的等離子噴涂工藝適應性。感應等離子體團聚體粉末球化率的影響因素顯著性順序為：氫氣流量＞氬氣流量＞反應室壓力＞送粉速率，得到的優(yōu)化工藝參數(shù)為：氬氣流量60slpm、氫氣流量8slpm、反應室壓力12psig、送粉速率12g/min。粒徑20~80μm粉末的球化率為94.8%，其流動性與未球化前相比，提高了20.4%。 在同等邊界條件下，采用圓管法比較了SZO、LSZCO及YSZ熱障涂層的隔熱效果，其涂層隔熱效果的排序為：LSZCO＞SZO＞YSZ。當涂層厚度為0.3mm，冷卻氣體流量為3m3/h，與SZO涂層和YSZ涂層相比，LSZCO涂層的隔熱效果分別提高了10.3%和28.7%，摻雜La3+和Ce4+使SZO材料的熱導率降低了19.1%，對提高涂層的隔熱性能有利。 采用單面熱沖擊法測試了涂層在1300oC下的抗熱沖擊性能。單層結構SZO涂層（SCL-SZO）在熱沖擊過程中，由于不同材料的熱膨脹系數(shù)存在差異，在SZO/BC、SZO/TGO及BC/TGO界面處均產(chǎn)生熱應力，在熱應力的作用下，橫向擴展型裂紋沿SZO/TGO界面處SZO層一側形成，使SZO層從SZO/TGO界面處脫落，最終導致涂層失效。 與SZO相比，LSZCO和YSZ材料的熱膨脹系數(shù)分別提高了8.3%和14.1~20%。與SCL-SZO涂層相比，采用真空預氧化處理、摻雜La3+、Ce4+材料改性和SZO/YSZ雙陶瓷層結構（DCL-SZO/YSZ）使涂層的抗熱沖擊壽命分別提高了33.3%、70.7%和340%，表明SZO材料較低的熱膨脹系數(shù)所引起的SZO/BC界面熱應力是影響SCL-SZO涂層熱沖擊性能的關鍵因素。因此，在不降低材料熱導率前提下，繼續(xù)提高材料的熱膨脹系數(shù)，，是進一步提高SCL-SZO涂層抗熱沖擊性能的關鍵。對于DCL-SZO/YSZ涂層，由于TGO厚度的增加所引起B(yǎng)C/TGO界面熱應力是導致涂層失效的關鍵因素。與SCL-SZO涂層相比，真空預氧化處理可以使DCL-SZO/YSZ涂層的的壽命至少提高19倍達到3000次以上，采用該種方法可有效提高涂層的抗熱沖擊性能。

【關鍵詞】：
【學位授予單位】：北京理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TG174.4
【目錄】：

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本文編號：96747