等离子喷涂改性锆酸镧热障涂层组成结构及热导性能研究

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传统的氧化钇稳定氧化锆(YSZ)热障涂层材料耐高温性能有限,难以满足下一代航空发动机及涡轮燃机的发展需求。相比之下,稀土锆酸盐陶瓷因具备优异的高温稳定性(室温到熔点保持单相)、低热导率(相较于YSZ材料)、低氧透过率等优点,成为更加理想的新型高温热障涂层材料。但由于该材料在高温下透明的本质,造成其在高温下辐射热导率偏高。本文针对涡轮叶片对热障涂层高温隔热性能的迫切需求,分别采取掺杂、引入第二相以及在最外层制备高红外发射率涂层等方法对锆酸镧(La2Zr2O7)陶瓷材料进行改性,并系统研究了涂层在目标服役温度(1300℃)下的组成结构及热导率的演变规律。论文首先利用A2B2O7烧绿石晶格的开放性,分别在A位引入Y3+、在B位引入Ce4+掺杂改性锆酸镧,旨在调控烧绿石晶格、降低高温平台区最低晶格热导率kmin。结果表明:1)等离子喷涂制备的锆酸镧涂层、A位改性锆酸镧(Y/La摩尔比=1:1)涂层以及B位改性锆酸镧(Zr/Ce摩尔比=4:1)涂层在1300℃处理196h后,均保持烧绿石相,高温稳定性好;2)相比未掺杂的锆酸镧涂层,A位改性、B位改性均改善了涂层的抗烧结性能;3)A位改性锆酸镧涂层的热导率不仅最低,且几乎不随温度变化而变化。A位引入的Y3+谐振子在AO8原子笼中形成局域共振,不仅增加了高温下的散射声子源,拉平了热导率-温度曲线(即k-T曲线),还增加了晶格的非谐振性,降低了kmin。B位Ce掺杂改性锆酸镧效果虽不及A位改性锆酸镧,但通过软化晶格,可以降低E值和kmin,从而降低其整体热导率。其次,在kmin值最低的A位改性锆酸镧(LYZ)的基础上,引入磷酸镧(LaPO4)相制备LYZ-LaPO4复相涂层,提高涂层在高温下的不透明度,进一步改善涂层的隔热性能。结果表明,LaPO4相的引入有利于锆酸钇萤石相的析出;相比烧绿石单相涂层,LYZ-LaPO4复相涂层的热导率与温度相关性小,这是因为引入LaPO4后析出了较多萤石相及磷酸镧相,而异质晶界的增多导致声子晶界散射加强。最后,在LYZ-LaPO4复相涂层表面喷涂高红外发射率涂层(MoSi2),进一步提高涂层在高温下的不透明度。结果表明,MoSi2/LYZ-LaPO4复合涂层及MoSi2涂层在中近红外区域的红外发射率高于LYZ-LaPO4复相涂层,证实了高红外发射率层能够降低涂层高温热导率。综上,本文所采用的三种改性方式降低了锆酸盐陶瓷材料的高温平台区最低晶格热导率kmin、提高了涂层的红外不透明度,改善了涂层的高温隔热性能和抗烧结性能,为新型高温热障涂层材料提供了新的选择。
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