环境/热障涂层材料的制备和力学性能表征

• 作 者: 宋宁宁
• 出 处: 清华大学
• 发表日期: 2004年期
• 关键词: 环境障涂层 热障涂层 稀土硅酸盐 氧化钇稳定氧化锆

燃气轮机发动机和航空发动机等部件在高温或者腐蚀环境中工作,为了进一步提高其使用寿命,环境/热障涂层（EBCs/TBCs）材料分别从改善抗氧化腐蚀和耐受温度等方面来提高构件性能。稀土元素Yb的硅酸盐材料作为新一代环境障涂层材料,低的热膨胀系数、低的硅活度、低的挥发率、良好的抗氧化腐蚀性能和高温相的稳定性等特性,使其在EBCs材料的应用过程中最具发展前景。同时6-8wt.%氧化钇稳定氧化锆（YSZ）以低热导率,好的力学性能,高热膨胀系数等优势,成为TBCs材料的中流砥柱。本文研究了Yb的硅酸盐环境障涂层和8YSZ块体的制备,结构分析以及力学性能。通过溶胶凝胶法配制硅酸镱的前驱体溶胶,以10ml溶剂为基础,加入不同摩尔含量的硝酸镱（1mmol,2mmol,3mmol和4mmol）,结合旋涂工艺在Si C基体制备涂层,并在不同温度下煅烧,获得致密的硅酸镱涂层。另外,通过大气等离子喷涂方式得到纯的亚稳态四方相（T’）的YSZ粉体,球磨后采用放电等离子烧结工艺制备纯T′相8YSZ块体,经不同时间的热处理,获得不同四方相（T）和立方相（C）含量的样品。以硅酸镱环境障涂层材料为研究对象,研究了其不同温度的成相结构,分析了不同固相含量对涂层致密性的影响,并采用纳米压痕测试涂层的力学性能。研究结果表明,旋涂法制备的硅酸镱涂层在1000℃煅烧可以获得α-Yb₂Si₂O₇,β-Yb₂Si₂O₇和Yb₂Si O₅的高温物相,1100℃存在α-Yb₂Si₂O₇向β-Yb₂Si₂O₇物相的转变。固相含量的过高,会导致涂层开裂,含量过低,会导致涂层出现岛状结构。本论文的最优浓度范围为0.2M,其力学性能最优,硬度为1.67GPa,弹性模量为19.8GPa。该旋涂工艺在制备致密的环境障涂层材料方面具有较大的潜力。以8YSZ块体为研究对象,研究了其不同热处理时间的相结构,分析其相变过程,并采用纳米压痕测试单个相的力学性能。研究结果表明,经过时效处理的样品发生相变,亚稳态四方相T’逐渐分解为立方相C和四方相T。根据晶粒生长情况和Y元素含量不同,可以区分晶粒的相结构。纳米压痕的面扫描测试结果可以大致体现出YSZ表面的相分布情况,同时单个相的力学性能随着时效时间的不同而发生变化。力学性能变化表征相结构的手段可以应用在更多的陶瓷材料中。