【摘 要】
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YSZ(yttria-stabilized zirconia)热障涂层因具有较低的热导率及良好的高温稳定性,被广泛应用于热端部件中。长期服役后在金属粘结层与陶瓷层之间会出现一个新的热生长氧化物层
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YSZ(yttria-stabilized zirconia)热障涂层因具有较低的热导率及良好的高温稳定性,被广泛应用于热端部件中。长期服役后在金属粘结层与陶瓷层之间会出现一个新的热生长氧化物层(Thermal growth oxide,TGO)。它在热障涂层服役的早期阶段起着阻止氧化反应的良好作用,但后期却成为热障涂层失效的根本原因。因此,TGO是影响和控制热障涂层使用寿命的最关键因素。本文通过使用燃气热冲击实验台来模拟真实工况,研究TGO的演变对YSZ热障涂层界面性能和循环寿命的影响。结果表明:(1)TGO演变使得YSZ热障涂层系统的界面性能发生了变化。陶瓷层、粘结层和TGO层的显微硬度和断裂韧性呈现出先上升后下降的趋势,峰值出现在氧化中期,说明氧化后期尖晶石类氧化物的大量生成对热障涂层系统的界面性能产生了负面的影响。(2)TGO演变导致YSZ热障涂层在同一循环实验条件下,循环寿命数据出现了先上升后下降的趋势。涂层失效脱落是从边缘开始呈块状脱落,发生区域为陶瓷层内部,断口为陶瓷层内部的水平垂直裂纹扩展交汇产生。且只有70h氧化后的热障涂层,其TGO层中出现了水平裂纹。(3)YSZ热障涂层的TGO演变使得陶瓷层和TGO层出现了一种竞争机制:当TGO层成分主要为Al2O3时,TGO层的断裂韧性较高,热障涂层界面性能良好,陶瓷层更容易产生应力集中,断裂失效区域多出现在TC层中上部;当TGO层主导成分开始变为尖晶石类氧化物时,TGO层的断裂韧性开始变差,热障涂层界面性能开始下降,应力集中和断裂失效区域开始下移,TGO层在不断增大的层间剪切应力下开始产生裂纹,涂层系统的失效开始在界面和TGO层中出现。综上所述,在整个YSZ热障涂层体系中,TGO起到了至关重要的作用。在Al2O3占据主导地位时,TGO提升了YSZ热障涂层的界面性能和循环寿命;而当尖晶石类氧化物大量生成后,TGO开始降低YSZ热障涂层的界面性能和循环寿命。
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