基于CMAS侵蚀的Sm2Zr2O7涂层微结构调控及涂层失效机理研究

In order to solve the failure of thermal barrier coatings (TBCs) subjected to CMAS attack in the engine, it is necessary to clarify the failure mechanism of coatings working under the thermo-mechanical-chemical coupling condition and to develop the effective ways to prevent the CMAS erosion. In this project, the inherent relationship between the Sm2Zr2O7grain size and the formation rate of isolation layer is established based on the microstructure control of the coatings. The design principle of the microstructure for TBCs is proposed in order to effectively prevent from CMAS attack. Sm2Zr2O7 coatings are prepared by plasma spraying. The influence of powder characteristics and spraying process on the microstructure of coatings is discussed. On the basis, controlling microstructure of Sm2Zr2O7 coatings is achieved. Furthermore, Sm2Zr2O7 coatings are tested under thermal gradient cycling conditions and at the same time CMAS deposition. The failure mechanism of rare earth zirconate coatings with CMAS attack is revealed. It provides the experimental data to the development of new generation insulated coatings and its engineering application.

为了解决航空发动机热障涂层的CMAS侵蚀失效难题，阐明热力化耦合作用的涂层失效机理、探索防护CMAS的有效途径的基础性研究工作不可或缺。本项目以Sm2Zr2O7材料为研究对象，从涂层微结构调控以促进隔绝层形成的角度出发，建立晶粒尺度与隔绝层形成速度的内在关系，提出有效改善涂层抗CMAS侵蚀能力的微结构设计方法；拟采用等离子喷涂技术探讨粉体特性、喷涂工艺与涂层组织结构的内在关系，实现Sm2Zr2O7涂层的微结构控制，从而进一步提高涂层抗CMAS侵蚀能力；探讨热力化耦合多重作用下涂层的失效形式及其主要影响因素，阐明CMAS与涂层间反应产物对热应力的响应机制，更为深入地揭示CMAS侵蚀稀土锆酸盐涂层的失效机理，为该类材料的工程化应用提供理论指导。

随着航空事业的发展，发动机进口温度不断提高，热障涂层作为航空发动机中重要的热防护材料，面临着许多新的问题，其中热障涂层的CMAS侵蚀问题尤为突出。在航空发动机的使用过程中以CaO,MgO,Al2O3和SiO2为主的多种氧化物沉积在高温热障涂层表面形成CMAS，CMAS会侵蚀热障涂层，加速涂层失效。为了解决航空发动机热障涂层的CMAS侵蚀失效难题，阐明热力化耦合作用的涂层失效机理、探索防护CMAS的有效途径的基础性研究工作不可或缺。本项目以Sm2Zr2O7材料为研究对象，开展CMAS对Sm2Zr2O7材料侵蚀实验，确定了侵蚀反应产物为Ca2Sm8(SiO4)6O2和ZrO2，反应方程式为4Zr2Sm2O7 + 2CaO + 6SiO2 = Ca2Sm8(SiO4)6O2 + 8ZrO2，并构建侵蚀反应模型，深入揭示CMAS对Sm2Zr2O7材料侵蚀反应机理。研究尺寸效应对Sm2Zr2O7材料与熔融CMAS反应程度影响规律，相较于微米晶Sm2Zr2O7陶瓷，纳米晶Sm2Zr2O7陶瓷能够与CMAS更为迅速的反应生成致密阻隔层，有效抑制了CMAS的渗入，证明了通过细化晶粒可以改善Sm2Zr2O7陶瓷的抗CMAS侵蚀能力。对Sm2Zr2O7粉体进行造粒、球化，并筛选合适粒径的粉体进行等离子喷涂，调整等离子喷涂工艺参数，制备出微米-纳米“双态”Sm2Zr2O7涂层，涂层结合强度高达43.5MPa。针对热障涂层的真实服役环境，探讨热力化耦合多重作用下涂层的失效形式及其主要影响因素，研究表明热力化耦合条件下CMAS侵蚀Sm2Zr2O7涂层开裂失效的主要原因为体系内多层间热应力，并揭示CMAS与涂层间反应产物对热应力的响应机制，其中CMAS析晶产物与反应层间热应力最大，是导致涂层开裂的主要原因。本项目全面探索完善Sm2Zr2O7涂层的制备工艺，实现晶粒尺寸调控，为稀土锆酸盐涂层的工程化应用提供理论指导；深入揭示CMAS侵蚀Sm2Zr2O7材料反应机理，探讨热力化耦合多重作用下涂层的失效形式及其主要影响因素，阐明CMAS与涂层间反应产物对热应力的响应机制，为提高热障涂层抗CMAS性能提供理论基础。