多元掺杂ZrO2热障涂层的相稳定机制研究及性能调控

Thermal barrier coatings (TBCs) have been widely used to provide thermal protection for the hot-section metal components in advanced gas turbines and diesel engines in order to improve service life, thermal efficiency and performance. The 6–8 wt.% Y2O3 stabilized zirconia coating cannot be long-term operated above 1200°C because of the phase transformation and serious sintering, which will result in early spallation of TBCs during thermal cycling. Therefore, alternative TBCs materials should be proposed and investigated. T'-ZrO2 possessing improved phase stability and high toughness is primary of interest. A series of ZrO2-CeO2-TiO2 /RO1.5 (RO1.5= Y，Gd，Yb，Dy，Sc) with doping variety of stabilizers are prepared using sol-gel and then calcination method. The crystal structure, high temperature phase stability, thermophysical properties, mechanical properties, low temperature aging and thermal cycling properties were present to establish the relationship among the co-doped elements and the properties of modified zirconia. The effects of the distribution of stabilizers on the strengthening and toughening mechanism was studied. The relationship between the composition, structure and property is systematically and deeply clarified. It supplies the basis to the eventual development of new controllable ceramic materials with excellent performance.

热障涂层（TBCs）广泛应用于燃气轮机的高温部件表面，为金属基体提供热防护，对提高燃气轮机的服役寿命、热效率和推重比具有重要意义。6~8wt% Y2O3稳定的ZrO2涂层的长期使用温度≤1200℃，因此急需发展新型的TBCs材料体系。具有非相变四方相（T'）ZrO2新型陶瓷材料具有高温相稳定性好，断裂韧性高等优点，已成为国内外TBCs研究的热点。本项目拟通过溶胶凝胶-高温焙烧方法制备具有T'相的ZrO2-CeO2-TiO2/RO1.5 (RO1.5= Y，Gd，Yb，Dy，Sc)材料体系，研究稳定剂种类、配比对晶相结构、高温相稳定性、热物理性能、力学性能、低温老化以及热循环性能的影响规律，阐明稳定剂种类与改性ZrO2性能之间的关联性，揭示稳定剂分布对体系强韧化机制的影响，探究高温热循环失效机理，并建立材料成分、结构及性能之间的内在关联性，为最终研制出综合性能优良的新型热障涂层提供依据。

热障涂层（TBCs）广泛应用于燃气轮机的高温部件表面，为金属基体提供热防护，从而提高燃气轮机的服役寿命、热效率和推重比。6~8wt% Y2O3稳定的ZrO2（YSZ）涂层的长期使用温度不能超过 1200℃，否则在热循环过程中将发生相变及烧结，导致涂层过早失效，因此急需发展新型的TBCs材料体系。采用化学共沉淀-高温焙烧法合成了一些列CeO2-Re2O3共稳定ZrO2 (16Ce4ReSZ，Re=Eu、Gd、Dy、Y、Er、Yb、Sc)陶瓷材料，并对其物相结构、高温相稳定性、热膨胀系数（CTE）、热导率及力学性能进行了研究。同时将优化组分16Ce4ScSZ制备成涂层，并对其失效机理进行了初步的探索。结果表明，Re3+离子半径越小，与CeO2协同稳定的四方相ZrO2相稳定性越好。16Ce4ReSZ(Re=Dy、Y、Er、Yb、Sc)材料具有较高的热膨胀系数，较低的热导率，较高的断裂韧性。随着Re3+离子半径减小，晶格能增加，晶格畸变减弱，材料的热膨胀系数有稍许减小，热导率稍有增加。由于16Ce4ScSZ具有良好的相稳定性，在1500℃热处理100h后，其力学性能表现最佳。在1050℃热循环测试中，该TBCs的失效是由16Ce4ScSZ涂层的热膨胀失配和烧结共同作用的结果。在热循环中，16Ce4ScSZ /YSZ 涂层中的YSZ缓解了16Ce4ScSZ与金属基体之间的热失配，提高了涂层的热循环寿命，但是热循环寿命仍然不理想。涂层的抗烧结性能有待改进；否则，CTZ涂层的应用将受到限制。