硅基陶瓷材料具有密度低、高溫力學(xué)性能優(yōu)良等特點(diǎn),有望成為新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)用部件材料,但其抗高溫水蒸氣腐蝕性能較差,制備環(huán)境障礙涂層(Environment barrier coating,EBC)是解決該問題的關(guān)鍵。稀土硅酸鹽具備良好的抗高溫水蒸氣腐蝕性、熱穩(wěn)定性和合適的熱膨脹系數(shù),是最具潛力的環(huán)境障礙涂層材料。大氣等離子體噴涂技術(shù)是制備環(huán)境障礙涂層的有效方法。等離子體噴涂過程具有高溫、高速、急冷等特點(diǎn),使得所制備的稀土硅酸鹽涂層相組成、顯微結(jié)構(gòu)和基本性能發(fā)生顯著變化,因此研究稀土硅酸鹽涂層物相組成變化對(duì)其結(jié)構(gòu)與性能的影響較為必要。本文采用大氣等離子體噴涂法制備四種RE_2SiO_5(RE=Y,Gd,Er,Yb)涂層,以及通過調(diào)節(jié)原料粉體Yb_2O_3/SiO_2的摩爾比例,制備不同物相組成的硅酸鐿涂層,通過考察涂層的相組成、微觀結(jié)構(gòu)、基本熱學(xué)力學(xué)性能和抗高溫水蒸氣腐蝕性能,探查涂層微觀結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系,同時(shí)在硅基陶瓷基體表面構(gòu)建EBC涂層體系,研究其抗熱震性能和失效機(jī)理。獲得的主要結(jié)果如下:1.采用固相燒結(jié)法制備四種RE_2SiO_5粉體與多種不同物相組成的硅酸鐿粉體。粉體粒度分布均勻、流動(dòng)性好。采用上述粉體制備涂層,涂層的微觀結(jié)構(gòu)均勻,顆粒熔融狀態(tài)較好。2.四種RE_2SiO_5涂層均含有RE_2O_3和非晶相,具有典型的層狀結(jié)構(gòu),其中Gd_2SiO_5涂層內(nèi)含有較多微裂紋。四種RE_2SiO_5涂層彈性模量和硬度等力學(xué)性能相近,都具有優(yōu)異的高溫相穩(wěn)定性和優(yōu)異的抗高溫水蒸氣腐蝕性能。Y_2SiO_5、Er_2SiO_5、Yb_2SiO_5涂層相比于Gd_2SiO_5涂層,具有與硅基陶瓷基體較為相近的熱膨脹系數(shù),熱循環(huán)過程中產(chǎn)生熱應(yīng)力較小,具有較優(yōu)的抗熱震性能。3.富Yb_2O_3硅酸鐿涂層主要由Yb_2O_3和Yb_2SiO_5相組成,結(jié)晶度較高,涂層的層狀結(jié)構(gòu)明顯,片層間結(jié)合較差,含有較多的Yb_2O_3柱狀晶,涂層內(nèi)有較多裂紋。富SiO_2硅酸鐿涂層主要由Yb_2SiO_5和Yb_2Si_2O_7相組成,結(jié)晶度較低,片層間結(jié)合緊密,無柱狀晶形成,涂層中含有較多氣孔。4.富Yb_2O_3和富SiO_2的硅酸鐿涂層彈性模量和硬度均低于Yb_2SiO_5涂層。富SiO_2硅酸鐿涂層相比于富Yb_2O_3硅酸鐿涂層具有較小的熱膨脹系數(shù)、較高的熱導(dǎo)率、較優(yōu)異的抗熱震性能。熱循環(huán)過程中,產(chǎn)生的熱應(yīng)力是導(dǎo)致富Yb_2O_3涂層失效的主要原因,YSx/Si雙層環(huán)境障礙涂層中,硅粘結(jié)層表面產(chǎn)生的SiO_2氧化層亦加速涂層的失效。不同物相組成的硅酸鐿涂層經(jīng)高溫水蒸氣腐蝕后,表面均生成致密Yb_2SiO_5層,可有效阻止腐蝕物質(zhì)向涂層內(nèi)部擴(kuò)散,使涂層具有優(yōu)異的抗高溫水蒸氣腐蝕性能。5.經(jīng)高溫?zé)崽幚?富Yb_2O_3硅酸鐿涂層的裂紋愈合現(xiàn)象顯著,其彈性模量、硬度、熱膨脹系數(shù)均明顯增大。高溫?zé)崽幚淼母籗iO_2硅酸鐿涂層表面生成較大的晶粒并伴隨有穿晶裂紋產(chǎn)生,其熱導(dǎo)率顯著增加。
【學(xué)位單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TG174.4
【部分圖文】：

物相組成對(duì)稀土硅酸鹽涂層結(jié)構(gòu)與性能影響研究示。Smialek 等人[17]研究 SiC 陶瓷在 1200oC、50%H2O/O時(shí)間變化呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，如圖 1.2 所示。圖曲線和揮發(fā)失重曲線，表明 SiC 陶瓷表面 SiO2層的生到平衡，SiO2層厚度維持不變，基體尺寸不斷減小。另SiO2層也易受堿金屬熔鹽侵蝕，且侵蝕過程中產(chǎn)生大量的較嚴(yán)重，表面形成腐蝕坑，降低了材料強(qiáng)度[20]。

物相組成對(duì)稀土硅酸鹽涂層結(jié)構(gòu)與性能影響研究2）較好的相穩(wěn)定性。涂層材料在服役時(shí)須經(jīng)歷熱循環(huán)過程，良好的相穩(wěn)定在此過程中不會(huì)發(fā)生相轉(zhuǎn)變，因?yàn)橄噢D(zhuǎn)變的發(fā)生會(huì)伴隨著產(chǎn)生熱應(yīng)力，使過早失效。3）與基體之間應(yīng)該具有較好的化學(xué)相容性。不與基體以及基體表面的 S應(yīng)。因?yàn)榛瘜W(xué)反應(yīng)會(huì)影響涂層與基體的結(jié)合，使涂層過早剝落。4）熱膨脹系數(shù)（CTE）需要與基體材料相匹配。如果涂層與基體熱膨脹系在熱循環(huán)過程中，涂層與基體不同步地收縮將產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，造成涂剝落。

圖1.5環(huán)境障礙涂層發(fā)展的歷程Figure 1.5 Evolution of environmental barrier coating圖1.6高溫水蒸氣腐蝕（1230oC，模擬燃燒環(huán)境，2000 cm/s，6 atm）后莫來石涂層[30Figure 1.6 Mullite coating after high temperature water vapor corrosion (1230oC, simulat
【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前4條

1 柴威;鄧乾發(fā);王羽寅;李振;袁巨龍;;碳化硅陶瓷的應(yīng)用現(xiàn)狀[J];輕工機(jī)械;2012年04期

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本文編號(hào)：2857702