雙陶瓷層熱障涂層是熱障涂層技術的發(fā)展方向之一。等離子噴涂和電子束-物理氣相沉積技術是目前最常用的雙層涂層制備技術,但存在的固有缺點影響涂層性能的發(fā)揮�？蓪崿F(xiàn)非視線沉積的等離子-物理氣相沉積技術效率高,能對涂層微觀結構進行精準調控,發(fā)展?jié)摿薮�。稀土氧化物摻雜ZrO₂、A₂B₂O₇型燒綠石和螢石結構化合物、釔鋁石榴石、獨居石結構的稀土磷酸鹽、氧化鋁等材料被作為表層陶瓷,分別與傳統(tǒng)的6%～8%Y₂O₃部分穩(wěn)定的ZrO₂（（6～8）YSZ）層組合構成雙陶瓷層,可有效降低涂層的熱導率,極大地改善抗熔鹽熱腐蝕性能,提高耐熱溫度等。如YSZ/CeO₂和TiO₂共穩(wěn)定的ZrO₂雙層涂層可大幅提高隔熱性能,La₂(Zr_0.7Ce_0.3)₂O₇能有效提高整個涂層的使用壽命,釔鋁石... 

【文章來源】：表面技術. 2020,49(09)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：8 頁

【部分圖文】：

YSZ-Gd2Zr2O7雙陶瓷層結構[12]

熱障涂層（Thermal Barrier Coatings,TBCs）廣泛用于航天、艦船、兵器、能源等裝備動力裝置高溫端部件的防護，能有效隔絕熱流和腐蝕介質，延長高溫端部件的使用壽命[1-3]。熱障涂層體系一般由～100μm厚的金屬粘結層（MCr Al Y,M=Ni、Co、Ni+Co等）和～300μm厚的陶瓷面層組成（如圖1a所示）。目前使用最廣泛的陶瓷面層材料為6%～8%（質量分數(shù)）Y2O3部分穩(wěn)定的Zr O2(Yttria-Stabilized Zirconia,YSZ)[4]，但其在1473 K以上的工作環(huán)境中長期工作時，涂層會發(fā)生相變和燒結，且易被Ca O-Mg O-Al2O3-Si O2(CMAS）、Na2SO4和V2O5等鹽類腐蝕，大幅降低使用壽命，不能滿足日益發(fā)展的工業(yè)需求[5-9]。為此，研究人員從制備工藝、新材料研發(fā)及結構設計等方面開展了大量研究。其中，一些具有或部分具有高熔點、低熱導率、低燒結速率、高穩(wěn)定性等優(yōu)點的新材料，被用來與(6～8)YSZ相結合組成雙層、多層或者梯度熱障涂層[10]（如圖1b、c、d所示），以提高熱障涂層的高溫適用性和使用壽命，適應發(fā)展需求。其中，雙陶瓷層結構的熱障涂層（Double-ceramic-layer,DCL）由2個陶瓷層組成（如圖1b、圖2所示），表層陶瓷一般為研發(fā)的陶瓷新材料，起隔熱、抗腐蝕等作用；底層陶瓷一般用來緩解表面陶瓷層、粘結層、金屬基體之間因熱膨脹系數(shù)差異而產生的熱應力，以提高涂層的整體韌性等[11]。Zr O2基雙陶瓷層熱障涂層既能發(fā)揮Zr O2基涂層熱膨脹系數(shù)大、斷裂韌性高等優(yōu)點，又能發(fā)揮表層陶瓷新材料熱穩(wěn)定性好、不易相變、隔熱性能好、抗燒結、耐腐蝕等性能，實現(xiàn)優(yōu)勢互補，已成為熱障涂層領域的研究熱點之一。從近年國內外研究情況來看，國外研究者們經過前期大量的實驗積累，對Zr O2基雙陶瓷層表層材料的熱物理性能等掌握已較為全面，普遍認為稀土鋯酸鹽（Gd、La）是雙陶瓷層較為理想的表層材料，當前的研究也主要集中于其熱腐蝕防護等高溫化學性能的研究。國內關于熱障涂層的研究雖然起步晚，但是近20年來在產品研發(fā)和應用方面積累了大量經驗，與國外的差距正迅速縮小，當前國內研究者雖也將稀土鋯酸鹽等作為表層材料的研究重點，但研究多集中于材料熱傳導、高溫氧化等基礎性能研究。本文對近年來Zr O2基雙陶瓷層熱障涂層的表層材料研究情況進行論述，并探討了存在的問題和主要研究方向。圖2 YSZ-Gd2Zr2O7雙陶瓷層結構[12]

燒綠石結構的La2Zr2O7和螢石結構的La2Ce2O7通過固態(tài)反應法、共沉淀法等可組成混合物La2(ZrxCe1-x)2O7，增多的離子半徑和原子量差異，增加了點缺陷對聲子擴散的散射，使其熱導率更低，抗燒結能力強，且在高溫下能保持相穩(wěn)定。其中，APS制備的La2(Zr0.7Ce0.3)2O7涂層在1273 K時的熱導率為～0.48 W/(m·K)，隔熱性能優(yōu)越，但其熱膨脹系數(shù)（(8.9～10.2)×10-6 K-1）比傳統(tǒng)的YSZ涂層低[47]。La2(Zr0.7Ce0.3)2O7與YSZ形成雙層結構涂層后，其隔熱性能和抗燒結性能均優(yōu)于傳統(tǒng)的YSZ涂層，由于La2(Zr0.7Ce0.3)2O7與CMAS形成的高熔點結晶物可有效阻礙CMAS滲入，其抗CMAS腐蝕性能優(yōu)越，加之底層YSZ涂層緩解了其與基底之間的熱膨脹系數(shù)差異，使涂層整體的高溫熱循環(huán)壽命遠高于傳統(tǒng)的YSZ涂層[47-49]，熱膨脹系數(shù)的不匹配最終導致了各層之間裂紋的產生和La2(Zr0.7Ce0.3)2O7的逐層剝離，導致涂層失效[48,50]；納米結構雙層涂層間的粘結力比同等厚度的8YSZ涂層稍弱，但熱導率會進一步降低[51];EB-PVD技術制備的YSZ/La Zr Ce O（元素比值La∶Zr∶Ce=1∶0.55∶0.75）雙層涂層呈現(xiàn)柱狀和羽狀的微結構，如圖3所示，具有極佳的熱循環(huán)和抗熱震性能，并保持較好的相穩(wěn)定性[50]。此外，Sm2(Zr0.7Ce0.3)2O7的相穩(wěn)定性好，抗燒結阻力較YSZ高，熱傳導系數(shù)遠低于YSZ,1473 K時的熱膨脹系數(shù)為～10.8×10-6 K-1，與YSZ構成雙層涂層的熱循環(huán)壽命高于8YSZ/La2(Zr0.7Ce0.3)2O7雙層涂層，Sm2(Zr0.7Ce0.3)2O7較低的斷裂韌性（1.5～2.5 MPa·m1/2）是導致涂層失效的主要原因[52]。

【參考文獻】：
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