【摘要】：氧化釔部分穩(wěn)定的氧化鋯(Yttria-stabilized Zirconia,簡稱YSZ)廣泛用作航空發(fā)動機熱障涂層(thermal barrier coatings,TBCs)材料。然而,外界環(huán)境帶入的沉積物(主要成分為CaO、MgO、Al_2O_3、SiO_2,簡稱CMAS)會嚴(yán)重腐蝕熱障涂層,引起熱障涂層服役壽命大幅度下降。因此如何提高熱障涂層表面抗CMAS腐蝕能力是提升其使用壽命的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文采用密度泛函理論(Density functional theory,簡稱DFT)計算方法,系統(tǒng)研究了熔融CMAS在YSZ塊體表面和納米微表面的潤濕能力,通過粘附功、表面張力、黏度等參數(shù)探索了CMAS/YSZ的潤濕性機制,獲得具有疏熔融CMAS的YSZ表面,從而提高YSZ抗CMAS腐蝕能力,得到以下結(jié)論:(1)通過研究納米YSZ晶體的表面活性發(fā)現(xiàn),YSZ塊體表面與納米微表面的表面能變化趨勢為:E_(surface)[(010×010)]E_(surface)[(111×010)]E_(surface)[(101×010)]E_(surface)[(111×101)]E_(surface)[(101×101)]E_(surface)(111)塊體表面E_(surface)(101)塊體表面E_(surface)(010)塊體表面,其中,納米微表面模型E_(surface)[(010)×(010)]_((4×4))表面能最大達到6.7667Jm~(-2),是塊體表面YSZ(111)最大表面能1.3964 Jm~(-2)的5倍,從而納米微表面化學(xué)活性強于塊體表面。電子結(jié)構(gòu)分析顯示,納米微表面YSZ[(010×010)]的高活性來源于其更高的費米能級能量-1.8403eV,更寬的贗能隙,以及最大的表面原子鍵長Δd(O-Zr)(0.03?)和表面原子電荷ΔQ_A(O-Zr)(0.26)。同時發(fā)現(xiàn)了YSZ納米微表面與塊體表面表面能存在一定的函數(shù)關(guān)系,即Y=N×B,其中B是兩個組成塊體表面表面能的平均值,N是一個正整數(shù),Y為納米微表面的表面能。(2)CMAS熔體在YSZ塊體表面的潤濕動力學(xué)模擬發(fā)現(xiàn),接觸角變化趨勢為YSZ(110)YSZ(001)YSZ(111)YSZ(101)YSZ(010),粘附功的變化趨勢為:YSZ(110)YSZ(001)YSZ(111)YSZ(101)YSZ(010),表明CMAS熔體在YSZ(110)的潤濕性最好,在YSZ(010)表面的潤濕性最差。對其表面張力和黏度計算,發(fā)現(xiàn)CMAS/YSZ(110)的表面張力(γ=0.27 Jm~(-2))小于CMAS/YSZ(010)(γ=0.37 Jm~(-2)),黏度系數(shù)值卻非常接近。從原子角度考察CMAS/YSZ(110)與CMAS/YSZ(010)潤濕性差異本質(zhì),發(fā)現(xiàn)在高溫環(huán)境下,疏熔融CMAS性的CMAS/YSZ(010)界面Ca、Mg、Al、Si、O離子分布沒有明顯的變化,而親熔融CMAS性的CMAS/YSZ(110)界面離子,特別是Mg、Si和O離子重新分布,其中Mg離子滲透到Y(jié)SZ表層,而Si離子和O離子更接近YSZ(110)表面。CMAS/YSZ界面離子分布的差異源于YSZ(110)表面比YSZ(010)表面具有更多的氧原子,從而表現(xiàn)出更高的活性。(3)CMAS熔體在YSZ納米微表面的潤濕動力學(xué)模擬發(fā)現(xiàn),接觸角變化趨勢為YSZ[(101×101)]YSZ[(010×101)]YSZ[(010×010)],粘附功的變化趨勢為:YSZ[(101×101)]YSZ[(010×101)]YSZ[(010×010)],表明熔融CMAS在YSZ[(010×010)]的潤濕性最好,在YSZ[(101×101)]表面的潤濕性最差,但CMAS在YSZ納米微表面的潤濕角都小于38°±2°,表現(xiàn)出良好的親熔融CMAS性。從原子角度考察熔融CMAS在YSZ納米微表面與熔融CMAS在YSZ塊體表面潤濕性的差異,發(fā)現(xiàn)在高溫環(huán)境下,CMAS/YSZ界面中Y元素從YSZ中析出,向CMAS熔體中偏聚;而CMAS中Ca、Si兩元素向YSZ中偏聚,同時CMAS/YSZ接觸的高活性位點完全熔化,導(dǎo)致CMAS在YSZ納米微表面相對其在YSZ塊體表面表現(xiàn)出更好的潤濕性。
【學(xué)位授予單位】：南昌航空大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：V263;TG174.4;TB383.1
【圖文】：

論文 的溶解，將會使涂層內(nèi)部的晶界與孔隙不斷拓AS 對涂層的侵蝕速率，在高溫循環(huán)的環(huán)境下，論固體表面保持接觸的能力，當(dāng)兩者結(jié)合在一起（潤濕性）的程度由液體與固體之間的吸附能米技術(shù)和納米科學(xué)研究的關(guān)注焦點。相界面處的接觸角提供了物體表面潤濕性的測氣體，液體和固體。在固、液、氣相的會合點的切線所形成的夾角θ稱為接觸角，如圖 1-2。

圖 1-3 水滴在荷葉上圖、意義及主要內(nèi)容及意義的隔熱性能和耐久性，熱障涂層系統(tǒng)在極機的性能。近年來，一些主要由 CaO酸鹽（火山云、高砂、高塵區(qū)）在高溫下s 內(nèi)部，腐蝕渦輪致使失效，從而產(chǎn)生經(jīng)滲透是解決這一問題的關(guān)鍵。從本質(zhì)上對 YSZ 的潤濕性[15]。CMAS 熔體的潤濕附，然后在基體材料上擴散。雖然已經(jīng)機制并且研究出了阻止 CMAS 進入涂層很少。CMAS 熔體在 TBCs 表面的潤濕機

允許計算與總能量相關(guān)的任何物理量，如能帶結(jié)構(gòu)等；此外還可以模擬固體的界面料體系，例如金屬及其合金、陶瓷和半aterial studio 軟件中的一個模塊，主要用融化和凝固，在 CASTEP 模塊中不能很體積，溫度下的體系，而且能夠通過控溫可以用來計算原子量較為大的模型結(jié)構(gòu)能夠計算原子量是小于 DMol3模塊的。地模擬出任何相結(jié)構(gòu)的動力學(xué)過程，例如結(jié)構(gòu)。現(xiàn)在 DMol3被廣泛用于模擬計算方面的問題。

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本文編號：2802347