【摘要】：硅酸鐿(Yb2Si05和Yb2Si207),具有良好的相穩(wěn)定性、優(yōu)異的耐水蒸氣腐蝕性能和較低的熱膨脹系數(shù),是理想的環(huán)境障礙涂層(Environmental Barrier Coating,EBC)材料。論文以上述材料為研究對(duì)象,主要研究?jī)?nèi)容包括:粉體合成、涂層制備、涂層高溫穩(wěn)定性以及涂層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。采用大氣等離子體噴涂技術(shù)制備涂層,表征Yb2SiO5和Yb2Si2O7涂層的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)熱學(xué)性能,探究高溫環(huán)境中涂層結(jié)構(gòu)演化過(guò)程及其對(duì)性能的影響。設(shè)計(jì)不同的涂層體系,根據(jù)熱震和水蒸氣腐蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果,探討涂層的破壞形式和失效機(jī)制。通過(guò)以上研究工作,以期開(kāi)發(fā)出具有良好抗熱震、抗裂紋擴(kuò)展、耐高溫水蒸氣腐蝕且高壽命的環(huán)境障礙涂層體系。論文的主要研究結(jié)果如下:1.采用固相反應(yīng)法制備物相單一的Yb2SiO5和Yb2Si2O7粉體。利用APS技術(shù)制備涂層,發(fā)現(xiàn)噴涂參數(shù)對(duì)涂層物相和氣孔率等微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大影響。合理的參數(shù)選擇可以減少?lài)娡窟^(guò)程中硅酸鐿的分解,并且降低涂層氣孔率。2.所制備的Yb2SiO5和Yb2Si2O7涂層結(jié)構(gòu)致密。Yb2SiO5涂層中非晶相初始晶化溫度為970℃,非晶相晶化導(dǎo)致涂層發(fā)生體積突變和熱導(dǎo)率突增現(xiàn)象;Yb2SiO5涂層平均熱膨脹系數(shù)為7.24× 10-6 K-1,熱導(dǎo)率在400℃最小值為0.67 W/(m·K)。在噴涂過(guò)程中分解產(chǎn)生的Yb2SiO5多以非晶形式存在于Yb2Si2O7涂層中;在受熱過(guò)程中,Yb2Si2O7涂層呈線性膨脹,平均熱膨脹系數(shù)為4.25×10-6 K-1;熱導(dǎo)率在 600℃最小值為 0.68 W/(m·K)。3.經(jīng)高溫?zé)崽幚?Yb2SiO5和Yb2Si2O7涂層微觀結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯變化,主要包括晶粒長(zhǎng)大和缺陷愈合現(xiàn)象,氣孔率明顯降低。Yb2Si2O7涂層的晶粒生長(zhǎng)速率明顯高于Yb2SiO5涂層,Yb2SiO5和Yb2Si2O7涂層的晶粒生長(zhǎng)活化能分別為366 kJ·mol-1和219 kJ·mol-1。Yb2Si2O7涂層存在以孿晶和位錯(cuò)滑移為主的塑性變形機(jī)制,損傷容限良好;而Yb2SiO5涂層的塑性變形不明顯。4.涂層微觀結(jié)構(gòu)的變化對(duì)涂層的熱學(xué)和力學(xué)性能產(chǎn)生較大影響。兩種涂層的硬度和彈性模量和熱導(dǎo)率均隨熱處理溫度的升高而增大。Yb2Si2O7涂層的硬度和彈性模量低于Yb2SiO5涂層。Yb2SiO5涂層熱導(dǎo)率低于Yb2Si2O7涂層。Yb2Si2O7涂層的熱膨脹系數(shù)較小且隨熱處理溫度變化不大,Yb2SiO5涂層的熱膨脹系數(shù)隨熱處理溫度變化明顯。5.SiC基體表面的Yb2Si2O7/Si雙層涂層體系抗熱震性能優(yōu)于Yb2SiO5/Si涂層體系。當(dāng)基體材料為SiC、C/SiC和SiC/SiC時(shí),Yb2SiO5/Yb2Si2O7/Si三層涂層體系具有良好的抗熱震和抗裂紋擴(kuò)展能力,這與Yb2Si2O7涂層較低的熱膨脹系數(shù)、較小的彈性模量以及良好的塑性變形能力密切相關(guān)。Yb2Si2O7可能是取代莫來(lái)石作為環(huán)境障礙涂層體系中間層的理想材料。6.探究了 Yb2SiO5和Yb2Si2O7涂層在1400℃水蒸氣環(huán)境中腐蝕行為。Yb2SiO5涂層耐水蒸氣腐蝕能力較好,但是容易被高溫水蒸氣中的Al2O3腐蝕;Yb2Si2O7涂層耐水蒸氣腐蝕能力不及Yb2SiO5,但不易被Al2O3腐蝕。Yb2SiO5涂層的抗腐蝕性物質(zhì)滲透能力要好于Yb2Si2O7涂層。7.水蒸氣腐蝕熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,Yb2SiO5/Si和Yb2Si2O7/Si雙層涂層體系的Si粘結(jié)層易被氧化形成TGO層,TGO層被破壞進(jìn)而導(dǎo)致涂層失效。Yb2SiO5/Yb2Si2O7/Si涂層體系具有良好的耐水蒸氣腐蝕性能,是良好的環(huán)境障礙涂層體系。
【學(xué)位授予單位】：上海大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TQ111.17
【圖文】：

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航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展已列入國(guó)家“十三五”規(guī)劃。其面向高推重逡逑比、高涵道比和高熱機(jī)效率發(fā)展，渦輪前進(jìn)口溫度日益提高，且伴隨著熱端部逡逑件的質(zhì)量降低。高溫結(jié)構(gòu)材料的發(fā)展滯后限制了發(fā)動(dòng)機(jī)效率的提升。圖１－１顯逡逑示渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展情況和預(yù)期目標(biāo)＾３］。根據(jù)當(dāng)前發(fā)展的需要，新一代航空逡逑發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件表面溫度可達(dá)１４００邋°Ｃ。而單晶鎳基高溫合金的最高工作溫度逡逑約為１１００邋°Ｃ，Ｎｉ３Ａｌ單晶高溫極限為１２００°Ｃ［４］。逡逑Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ逡逑Ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ邐（Ｔ／ＥＢＣ）邋ｓｕｒｆａｃｅ逡逑邐邐

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前6條

1 范金娟;常振東;陶春虎;王富恥;;Si/Mullite/Er_2SiO_5新型環(huán)境障涂層的1350℃氧化行為[J];材料工程;2014年10期

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4 李美Y

本文編號(hào)：2728843