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热障涂层(thermal barrier coatings TBCs)可以保护燃气轮机内部位于热区的金属部件免受高温气体的破坏。然而燃气轮机在服役过程中有时会将成分为钙-镁-铝-硅酸盐(calcium-magnesium-alumino-silicates,CMAS)的碎屑吸入到发动机内部,其中一部分碎屑会沉积在热障涂层表面,这些硅酸盐沉积物会在高温下熔化然后渗入到涂层内部进而对涂层进行腐蚀。尽管对CMAS腐蚀退化机理已经开展了大量研究,但对于有些退化机理的理解仍然还不足,例如大气等离子喷涂(air plasma spray,APS)热障涂层在CMAS腐蚀后出现的屈曲(buckling)失效现象。此外,尽管已经提出了很多解决CMAS问题的策略,但到目前为止,还没有一种方案既可解决CMAS腐蚀问题又可满足热障涂层的性能要求,因此有必要继续研发新的抗CMAS策略。本文首先研究了大气等离子喷涂热障涂层因CMAS腐蚀导致的屈曲失效机制,然后研究了氧化钇稳定氧化锆(yttria stabilized zirconia,YSZ)块体材料和典型的大气等离子喷涂热障涂层内的孔洞在CMAS腐蚀过程中的孔洞填充行为,最后探究了改变热障涂层中的孔洞结构是否有助于提高其抗CMAS腐蚀性能。本文的主要内容及结论如下。(1)研究了CMAS引起的大气等离子喷涂热障涂层的屈曲失效机制。结果表明CMAS渗入大气等离子喷涂热障涂层的量并不会受到涂层中孔洞体积的限制。过多CMAS的进入会导致陶瓷顶层体积膨胀(本实验中膨胀高达32%)。当陶瓷顶层被基体约束时,涂层在高温下可以发生严重的屈曲失效。这种屈曲可对涂层造成严重的破坏,因此应视为一种在CMAS腐蚀条件下的重要失效机制。(2)通过PMMA造孔剂在YSZ圆片内增加了不同大小的孔洞(D50在6~77μm之间),然后通过热处理将造孔剂去掉,并且烧结使圆片具有与热障涂层一致的孔隙率。在CMAS渗入后,在CMAS渗入区域仅有一些较小的孔被CMAS填充,而所有相对较大的孔(大于13μm)均未被填充;此外实验结果表明甚至开孔也可以抗CMAS填充。该研究表明向热障涂层中引入一些“防CMAS的”孔可能会缓解CMAS的危害。(3)使用扫描电子显微镜和图像分析方法研究了典型的YSZ大气等离子喷涂热障涂层在CMAS腐蚀过程中的孔洞填充行为。在CMAS完全渗入后,涂层总孔隙率从11.4%降至为4.8%。但涂层上部区域和下部区域的孔隙率和结构是有区别的。对于上部区域来说,其微观结构发生了较大的变化;在CMAS腐蚀后,该区域的总孔隙率不但未降低,反而从11.4%升高到了14.3%;几乎所有剩下的孔均为球形孔,裂纹网络孔几乎全部消失。对于底部区域来说,结构变化并不大。该区域的总孔隙率从11.4%降至为2.7%;就孔洞类型而言,几乎所有裂纹网络孔都消失了,而48 vol.%的球形孔仍然存在,而且越大的球形孔在CMAS腐蚀后越容易保留下来。这些结果表明,在大气等离子喷涂热障涂层中增加孔径相对较大的球形孔可能会缓解CMAS带来的危害。(4)为了研究向热障涂层中加入大的球形孔是否可以提高其抗CMAS性能,对比了两种不同的大气等离子喷涂热障涂层(分别称为TBC1和TBC2)的孔洞填充行为,其中TBC2具有更多更大的球形孔,且TBC2中的裂纹网络孔更少。结果表明,在CMAS腐蚀3 h后,TBC2内的球形孔被填充的比例比TBC1轻微交互作用区内球形孔被填充的比例还要高;这可能与球形孔的形状有关。虽然TBC2抗CMAS渗入的能力比TBC1差,但TBC2抗CMAS化学腐蚀的能力比TBC1要强;此外,两种涂层在无基体情况下,被CMAS腐蚀后TBC1会变弯曲,而TBC2的整体形状未发生明显变化。这说明将CMAS引入到涂层内部的大孔内可能可以降低涂层的腐蚀程度和高温屈曲失效的可能性。