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航空发动机和燃气轮机热端部件的防护已成为航空动力装置的核心技术,在很大程度上决定着发动机的性能和水平,在近些年来航空事业迅猛发展的推动下,航空发动机的更新换代迫在眉睫,决定发动机性能的热端部件首当其冲,多代发动机的实际应用表明热障涂层是保护发动机叶片不受高温破坏的最有效方法,所以需要通过开发新型的热障涂层材料来满足更高的使用温度和隔热效果。烧绿石结构的锆酸镧（La2Zr2O7,LZ）陶瓷材料是公认的新一代热障涂层材料的候选之一,但是LZ热膨胀性能较差且导热性能仍有提升空间,研究表明,稀土掺杂是改善LZ热膨胀性能和导热性能的有效措施。本论文通过稀土掺杂的方法制备了La位和Zr位共掺杂的锆酸镧粉体;探究了新型的锆酸镧基粉体的造粒工艺;利用正交方法研究了大气等离子喷涂参数对涂层结合性能的影响,确定最佳参数;通过热障涂层隔热性能、抗热震性能和耐腐蚀性能等方面系统的研究了稀土掺杂对锆酸镧基热障涂层各性能指标的影响。主要结论如下:1、采用化学共沉淀方法制备得到具有不同掺量的La2-x-x Smx(Zr0.7Ce0.3)2O7和La2-2xCexCax(Zr0.7Ce0.3)2O7陶瓷粉末。XRD结果显示Ce、Sm掺杂后和Ce、Ca的锆酸镧都为烧绿石结构,锆酸镧基粉体相比钇稳定氧化锆具有更好的高温相稳定性。粉体的晶粒尺寸约为100 nm。对比不同Sm掺量的锆酸镧热膨胀性能,发现La1.6Sm0.4(Zr0.7Ce0.3)2O7（LSZC）的热膨胀系数最高,在1450°C可以达到10.46×10–6 K-1,相应的热导率为0.781 W·m-1·K-1,该热导率数值是目前研究中该材料体系的最低值。通过理论分析对比不同Ce、Ca掺量的锆酸镧热膨胀性能,得出La1.2Ce0.4Ca0.4(Zr0.7Ce0.3)2O7（LCCZC）的热膨胀系数最高,经实际测试后在1450°C达到12.34×10–6 K-1,是目前研究中该材料体系中的最大值,相应的热导率为1.165W·m-1·K-1。2、通过粒度测试、形貌表征、流动性测试以及松装密度检测等方法研究了三种喷雾造粒工艺制备锆酸镧球形喷涂粉末的工艺。结果表明新型的胶体喷雾造粒工艺相比传统的纳米粉喷雾造粒工艺省掉了等离子球化的过程,相比干胶体球磨喷雾造粒的方式提高了致密度和流动性,既满足等离子喷涂要求,又简化了工艺。胶体直接喷雾造粒工艺得到的锆酸镧基球形喷涂粉末的粒度约为60μm,晶粒为100200 nm,致密度为2.2 g/cm3,流动性可以达到35 s/50g,并保持烧绿石结构。3、利用正交试验探究了等离子喷涂方法制备NiCoCrAlY过渡层和锆酸镧基面层的工艺参数,得到过渡层的最佳工艺参数为:喷涂功率40 kW、喷涂距离120mm、喷涂速度100 mm·min-1、喷涂遍数为1遍;面层的最佳工艺参数为:喷涂功率48 k W、送粉电压9 V、喷涂距离120 mm、喷涂速度为200 mm·min-1。通过最佳工艺参数制备了三种锆酸镧基热障涂层,面层厚度约为270μm,保持烧绿石结构,XRD和TG结果表明其具有高温稳定性,在高温下不发生相变。LZ、LSZC和LCCZC热障涂层的结合强度分别为48.29 MPa、50.41 MPa和48.28 MPa,满足目前对热障涂层结合强度的要求。4、利用自制的隔热性能测试设备检测不同热障涂层的隔热性能,发现通过掺杂改性后的锆酸镧基热障涂层的隔热性能相比锆酸镧热障涂层有明显的提升,其中LSZC热障涂层的隔热性能最佳,隔热温度可以达到250°C。根据行业标准检测了不同热障涂层的抗热震性能,发现通过掺杂改性后的锆酸镧基热障涂层的抗热震性能相比锆酸镧热障涂层也得到了明显的改善,其中LCCZC热障涂层在1000°C下的热震失效次数为115次,是LZ热障涂层的热震失效次数2.5倍。涂层微裂纹扩展和TGO生长是涂层热震失效的根本原因。5、通过模拟实际应用中的腐蚀环境探究了不同涂层的耐CMAS腐蚀性能,发现锆酸镧基材料能够形成磷灰石结构的阻隔层抵抗CMAS的腐蚀。LSZC和LCCZC热障涂层相比LZ热障涂层有更加优异的耐腐蚀性能,在1250°C下被CMAS腐蚀4 h后,LZ、LSZC和LCCZC热障涂层的腐蚀反应区厚度分别为14μm、9μm和10μm,主要是因为镧系离子半径越小,与CMAS腐蚀越容易发生反应。当温度升高到1300°C时,腐蚀反应区厚度会明显增大,反应温度是CMAS腐蚀重要影响因素。锆酸镧基热障涂层腐蚀失效过程一般是通过CMAS腐蚀剂熔融后直接与面层材料发生反应或者沿着涂层固有的裂痕深入涂层内部与面层材料发生反应,将涂层分解逐步加深腐蚀反应区厚度,降低了面层的应变容限,导致热障涂层面层的破损和剥落。