改性ZrO2新型热障涂层材料的相稳定机制及相变动力学研究

For long time service over 1200℃, the traditional YSZ-TBC has a serious thermal stability(phase transformation)problem, which is the key technology to be conquered for its application as hot components material of high performance aircraft engine. To overcome this limitation, the development and production of ZrO2 codoped by multivariate rare earth oxides thermal barrier coating has become a research hot issue on TBCs. However, the modification of ZrO2 codoped by multivariate rare earth oxides thermal barrier coating, especially the phase stability mechanism and phase transformation kinetic at high temperature, is not fully understood both experimentally and theoretically. In the present project, researched are doing with RE3+（RE=La, Yb, Sc）、Y3+ co-stabilized zirconia novel thermal barrier coatings as research objects: Phase diagram calculation, structure anticipation and detailed analysis of crystals are presented to establish the relationship among the codoped elements (atomic mass, ionic radius) and crystal structure as well as phase stability; The phase stability mechanisms of REYSZ systems are revealed via the analysis of surface electronic and valence bond structure. Phase transformation kinetic behaviors of the modified systems are studied. Phase transformation mechanisms and key phase transformation factors are explored. In short, the main purpose of the present project is to give theoretical ground and scientific guidance for selecting material, designing composition, characterizing properties and predicting lifetime of new type high temperature TBCs.

传统6-8wt.%氧化钇稳定氧化锆热障涂层（YSZ-TBC）在高于1200℃长期应用时存在严重热稳定性（相变）问题，成为高性能航空发动机热端部件材料必须克服的技术瓶颈。针对该材料体系的局限性，多元稀土氧化物稳定氧化锆新型陶瓷材料的制备已成为国内外热障涂层研究的热点,但稀土氧化物稳定氧化锆的改性设计，特别是相稳定机制及高温相变动力学行为，一直缺乏充分认识和理论支持。本项目以RE3+（RE=La, Yb, Sc）、Y3+共稳定氧化锆新型热障涂层为研究对象，通过开展相图计算、相结构测定及晶体结构精细解析，建立掺杂元素特征（原子量、离子半径）、晶体结构、相稳定性之间的相关性。分析改性体系表面电子及原子价键结构，揭示稀土氧化物掺杂稳定机制。深入研究改性体系的高温相变动力学行为，探明相变机制及相变关键因素。本项目研究将为新型高温热障涂层材料的选择、成分设计、性能评估和寿命预测提供理论依据和科学指导。

热障涂层（TBC）是将耐高温、高隔热、抗氧化腐蚀陶瓷材料涂覆于合金基体表面，以降低合金表面温度，提高其抗氧化腐蚀性能的热防护技术，是提高航空发动机高温部件工作温度，并延长其使用寿命的有效途径。传统6-8wt.%氧化钇稳定氧化锆热障涂层（YSZ-TBC）高于1200℃长期应用时存在严重热稳定性（相变）问题，成为高性能航空发动机热端部件材料必须克服的技术瓶颈。针对该材料体系的局限性，本项目以开发高相稳定新型热障涂层陶瓷材料体系为研究背景，展开对RE3+、Y3+多元稀土氧化物改性氧化锆新型热障涂层材料的相稳定机制及相变动力学的研究。研究内容包括，通过相结构测定及晶体结构的精细解析，揭示改性体系的晶体学特征，建立相稳定性、晶体结构、掺杂特征（与掺杂量、离子配比）三者之间的普适性关系，从晶体结构特征方面揭示相稳定机制。系统研究多元稀土氧化物改性氧化锆的高温相变动力学行为，根据相变动力学曲线及动力学参数分析相变动力学特征；研究应力、热处理制度及腐蚀环境对相稳定性的影响，探明相变关键因素。.对改性体系的高温相稳定性研究发现，LaYSZ，ScYSZ，YbYSZ三种体系的四方度λ（c/[2^(1/2)*a）分别与La2O3、Sc2O3、Yb2O3掺杂浓度(X)呈线性减小的关系，即λLa2O3=1.0299-0.02455X，λYb2O3=1.01448-0.00309X，λSc2O3=1.01302-0.00831X。相稳定性随四方度增大而降低，低四方度是非平衡四方相的重要晶体学特征。由掺杂浓度、四方度、相稳定性三者之间的线性关系可以近似得到非平衡四方相对应的成分区域，该研究可为相稳定机制的研究提供新思路和新方法，并为新型热障涂层成分设计提供理论依据。对多元改性体系的相变动力学研究发现，采用Avrami方程可提供合理的结果描述相变量与时间的关系，ScYSZ体系的相变动力学曲线均为中心区域为最大长度的S形状，呈典型的扩散型相变特征，动力学参数（n，k，τ0，tq，tf）及最大相变量Fm综合反应改性体系的高温相稳定性。对ScYSZ涂层于硫酸钠和钒酸钠熔盐腐蚀条件下的相变研究发现，ScYSZ涂层较YSZ具有更好的化学稳定性和相稳定性，含钒化合物（NaVO3，V2O5）化合物的矿化作用导致涂层相变和失效。本研究结果可为新型热障涂层材料成分设计、涂层性能评估及寿命预测提供理理论依据和科学指导。