热障涂层材料氧化锆隔热层的相变规律研究

氧化锆具有耐高温且热导率低的特点而被用作热障涂层材料的隔热层，然而该材料存在低温老化问题，即刚沉积好的亚稳四方相氧化锆可能在循环使用中发生四方相到单斜相的马氏体相变，伴随体积膨胀会导致隔热层开裂失效。与以往基于理论计算和较宏观的表征方法不同，本课题利用分析型透射电镜对影响晶粒马氏体相变的各种因素进行系统分析，包括利用能谱和电子能量损失谱定量表征稳定剂在涂层中的分布、利用电子能量损失谱定量表征氧化锆晶粒内的氧含量以及锆离子的配位情况、以及利用会聚束电子衍射研究晶粒的内应力以及铁弹畴的大小和分布等，目的在于建立氧化锆晶相与稳定剂含量、晶粒尺寸之间的关系，并通过揭示稳定剂的扩散过程来进一步理解晶粒的相变过程，以及从微观尺度上重新探索氧化锆马氏体相变规律。课题特色在于分析电镜的定量研究能把微区的结构和成分信息结合起来，除了对基础研究有利，也为氧化锆隔热层的微结构设计和抗老化性能的改善提供参考数据。

热障涂层材料氧化锆隔热层的高温相变导致的涂层失效问题一直是发动机耐高温材料中的热点问题。与传统使用X射线衍射和拉曼谱来分析氧化锆的相变不同，本项目以分析电镜为手段，通过定量研究稳定剂氧化钇在氧化锆隔热层微结构中的分布规律，以及随高温热处理的变化规律，来分析氧化锆隔热层的高温相演变过程。将宏观的相与微观的成分相结合，在微观层面上阐明了氧化锆柱状晶的相变机制和相变途径，这对进一步研究氧化锆相变导致的热障涂层材料失效问题，对提高热障涂层的稳定性都有着重要的现实意义。.主要成果包括：1）建立了分析电镜对氧化锆柱状晶粒中稳定剂分布的定量表征方法；2）通过分析电镜研究了稳定剂在氧化锆隔热层中的分布和变化规律，阐明了XRD和Raman等对氧化锆高温相演变做宏观分析所存在的问题，即氧化锆各个相与稳定剂含量的关系是复杂的且有一定的分布的，而非单一的简单对应关系；3）提出了氧化锆隔热层的微观相变机制，即氧化锆隔热层由刚沉积时的t'相，经过高温热处理后，先生成t"相，而后再生成t相，而对应于稳定剂的变化在于首先在单个柱状晶内部扩散，而后继续在柱状晶粒之间扩散，柱状晶粒内部稳定剂成分的连续分布则引发了由t'相向t"相的相变，对应于超结构的形成和发展；4）研究了氧化锆隔热层的微结构演变过程以及与氧化锆稳定剂微观分布和演化的关系，柱状晶粒的生长和气孔的形成与稳定剂的分布则有密切的关系，同时对材料的隔热性能有重要影响。