先進(jìn)熱障涂層的概述課件

1、 隨著航空業(yè)的發(fā)展，對熱障涂層的要求越來越高。為了達(dá)到降低燃燒 室內(nèi)金屬基體的溫度提高使用壽命,提高渦輪發(fā)動機的點火溫度來 提高它的工作效率這樣的目的。我們研究了許多種熱障涂層材料， 其中使用最 廣泛的應(yīng)該就是YSZ。但是YSZ也存在一些不足,由EB-PVD 和APS方法加工的YSZ含有亞穩(wěn)態(tài)的T相。長時間處于高溫狀態(tài)下，它能 夠分解成高氧化釔相和低氧化釔相。后者在冷卻過程中將會轉(zhuǎn)變成為 單斜晶并伴隨較大的體積增加，這將導(dǎo)致TBC的失效。公認(rèn)的上限溫 度是1200。另外，由于有限的相穩(wěn)定性將導(dǎo)致涂層應(yīng)變公差減小， 從而降低了它的高溫性能，因此涂層會過早的失效。 所以我們要尋找比YSZ更好的熱障

2、涂層材料 背景燒綠石 在1300以上時，具有A2B2O7的燒綠石結(jié)構(gòu)的TBC材料比YSZ的性能更好。特別是一些鋯酸鹽燒綠石具有很低的熱導(dǎo)率使得這類材料更加令人關(guān)注。同時它們有著很不錯的熱穩(wěn)定性，這可能與晶體中陽離子有著固定的位置有關(guān)。 在燒綠石中，La2Zr2O7 (LZ)是TBC應(yīng)用最具前景的材料之一。因為它相比YSZ具有更加出色的綜合特性，在2000以上時它具有不錯的熱穩(wěn)定性能，熱導(dǎo)率很低，為1.56 W/m K，燒結(jié)傾向也很小。但它也有缺點，它的熱膨脹系數(shù)較低。YSZ的熱膨脹系數(shù)為1011106 K1，LZ的熱膨脹系數(shù)大概是9106 K1，由于熱膨脹系數(shù)不匹配將導(dǎo)致較高的熱應(yīng)力。 鋯酸鑭

3、和鋯酸釓單獨作為陶瓷頂層材料時TBC的壽命很低，因為基體和粘結(jié)層都具有相當(dāng)高的熱膨脹系數(shù)(大約15106 K1)，在工作過程中TBC中靠近粘結(jié)層位置的應(yīng)力堆積使得裂紋能很容易的擴(kuò)展。 在雙層系統(tǒng)中（圖1）,有一層YSZ層和一層由燒綠石材料制成的頂層。這種涂層在熱循環(huán)測試中的壽命顯著提高。在這種雙層結(jié)構(gòu)中，YSZ使它具有接近粘結(jié)層的韌性，頂層的燒綠石材料使涂層擁有低燒結(jié)率和高溫穩(wěn)定性。這些基于 燒綠石/YSZ 的雙層系統(tǒng)表現(xiàn)出的比YSZ更優(yōu)秀的高溫性能從而有望應(yīng)用來提高燃?xì)廨啓C的熱性能。 圖1 鋯酸鑭/YSZ雙層結(jié)構(gòu)熱障涂層的光學(xué)顯微結(jié)構(gòu) 圖2 不同TBC系統(tǒng)燃燒室的熱循環(huán)測試結(jié)果六鋁酸鹽 磁鐵

4、鉛礦結(jié)構(gòu)的六鋁酸鑭常被用于激光技術(shù)、催化劑等領(lǐng)域。由于它的高熔點，高熱膨脹系數(shù)，低熱導(dǎo)率和高達(dá)1800結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等特點，這類材料也可用在熱障涂層應(yīng)用中。 我們認(rèn)為低楊氏模量和高斷裂韌性是這種涂層熱循環(huán)壽命較長的原因。六鋁酸鑭片晶的隨機排列是其微孔率比較均衡的成因并降低了陶瓷的熱導(dǎo)率。高橫縱比的片晶使它的斷裂韌性更高。圖3 1200等溫?zé)崽幚砗箬|-鋰-六鋁酸鹽大氣等離子噴 涂涂層的典型分割裂紋的顯微圖像 六鋁酸鹽等離子噴涂涂層能產(chǎn)生分割裂紋網(wǎng)絡(luò)（見圖3），這增加了涂層的應(yīng)變公差進(jìn)而產(chǎn)生了一個熱沖擊抗力，在TBC應(yīng)用中這是很有利的。當(dāng)把它用作雙層TBC系統(tǒng)的頂層材料時，在高達(dá)1350的熱梯度燃燒室

5、測試中它表現(xiàn)出很不錯的壽命。復(fù)雜鈣鈦礦 除了高熔點外，復(fù)雜鈣鈦礦另一個值得關(guān)注的特性是B位陽離子的成序效應(yīng)，它能夠調(diào)節(jié)材料的性能。在大氣等離子噴涂中沉積涂層常表現(xiàn)為無序立方相這些無序立方相在高于1250進(jìn)行熱處理時能夠轉(zhuǎn)變?yōu)橛行虻?，使涂層中形成縱向裂紋網(wǎng)絡(luò)（圖4）。這種材料顯示出更有前景的涂層性能。圖4 La(Al1/4Mg1/2Ta1/4)O3（頂層）和YSZ（底層）制成的雙層大氣等離子噴涂涂層的SEM圖 盡管鈣鈦礦的整體特性很不錯，但是它的韌性不如YSZ。在大氣等離子噴涂過程中，由于氧化物蒸汽壓的不同導(dǎo)致組成鋯酸鹽中的非氧化鋯成分以及復(fù)雜鈣鈦礦中的氧化鎂先蒸發(fā)。這種效應(yīng)會導(dǎo)致不利于涂層性能的非化學(xué)計量相的沉積。最近的研究表明，通過優(yōu)化等離子噴涂參數(shù)來縮短粒子在等離子焰流中的時間能夠使這種效應(yīng)最小化?？偨Y(jié)我們研究了很多不同的TBC材料，其熱導(dǎo)率和熱膨脹系數(shù)在圖5中有所標(biāo)示。很明顯，燒綠石材料占據(jù)著最令人關(guān)注的區(qū)域