锆酸镧新型热障涂层的结构设计和机理研究

Thermal barrier coatings (TBCs) have seen extensive applications in turbine blades, vanes, burner transition ducts, and combustor parts for aircraft propulsion, power plant, and marine propulsion to provide thermal insulation to metallic components from hot burner gas. Currently many researchers have focused and examined the pyrochlore materials to reduce the thermal conductivity of TBC. One of them is lanthanum zirconate (La2Zr2O7: LZ), showing pyrochlore structure. LZ has a lower intrinsic thermal conductivity and better sintering resistance, compared with 8YSZ. Other advantages of LZ are no phase transformation between room temperature and 1400 ℃, and higher Ca-Mg-Al-Si (CMAS) resistance. However, the LZ coating shows a low thermal durability in cyclic thermal exposure environments owing to its low coefficient of thermal expansions (CTEs) compared with those of 8YSZ, which leads to higher thermal stresses on the interface between the top and bond coats, resulting in TBC’s failure. In this subject，La2Zr2O7 based TBCs with vertical cracked structure were designed and prepared using the blended powder of La2Zr2O7 and 8YSZ, to improve its thermal durability by reducing thermal expansion mismatch between La2Zr2O7 layer and bond coat layer. The vertical cracking is formed harder when hot-spraying was performed.

热障涂层被广泛的应用在燃气机的叶片、燃烧器、飞机发动机、电力、轮船发动机的高温部件中，用来保护金属不受高温燃气的侵蚀。近期，很多研究者集中焦点在研发新型的低导热材料提高涂层隔热性能。其中比较引人关注的是锆酸镧（La2Zr2O7），一种烧绿石结构的材料。锆酸镧具有较低的导热系数和良好的抗烧结性能相对于现在商用化氧化锆材料。锆酸镧材料的巨大优势是在常温和1400℃高温之间不会发生相变，抗Ca-Mg-Al-Si (CMAS)的腐蚀性能也优于氧化锆材料。但是锆酸镧热障涂层体系在热震循环实验中的使用寿命低于普通氧化锆材料，这因为锆酸镧的热膨胀系数低于氧化锆，从而导致了陶瓷层和金属粘结层界面集中了较大的应力，导致涂层脱落失效。本项目设计的带有垂直裂纹的锆酸镧热障涂层体系，使用锆酸镧和氧化锆的混合粉末，可以提高陶瓷层和金属粘结层的热膨胀系数匹配度，增加提高涂层的应力释放空间，热障涂层的使用寿命。

热障涂层是指沉积在金属基体表面、具有良好隔热效果的陶瓷复合涂层。陶瓷涂层材料的优异隔热性能与金属材料的高韧性、高强度相结合构成的热障涂层系统已广泛应用在航空、航天以及火力发电等领域。然而在高温环境下长期工作，陶瓷层的剥落失效严重阻碍了热障涂层的发展应用。为不断提高热障涂层的使用温度，延长其使用寿命，人们通过调整热障涂层的涂层结构，选用新型陶瓷层材料和金属粘结层材料，以及分析涂层失效机理等方面进行了深入研究。.尽管多层、梯度和纳米结构热障涂层与双层结构热障涂层相比，其由于导热系数不同而引起的热应力会更加缓和，使得材料各层间的热应力差减小，涂层界面结合良好，但由于工艺不稳定以及制备上的困难，目前多层、梯度和纳米结构热障涂层还没有双层结构热障涂层应用的广泛。锆酸镧材料的稳定性，复合锆酸镧单层多层梯度涂层的制备，喷涂参数和微观结构与性能之间的联系。.在相同的热震试验条件下，单层YSZ热障涂层和LZO+YSZ复合热障涂层分别经历93次和102次热震试验脱落失效，通过复合LZO结构使热障涂层寿命得到9次的提高。涂层脱落失效的原因主要是由于涂层与基体材料之间的热膨胀系数不一致，在高低温循环的过程中造成涂层内部产生热应力最终使涂层脱落失效。高温氧化试验中涂层在长时间的高温环境中由于氧气通过涂层表面孔隙和微裂纹进入涂层内部，会与粘结层中的金属元素发生化学反应。在粘结层与陶瓷层的界面处生成TGO层，随着高温氧化试验的进行TGO的不规则的生长最终造成涂层脱落失效。在反应前期由于Al元素的反应活性比较高，首先与O元素反应生成Al2O3，随着反应的进行Al元素的含量不断下降，O元素将与粘结层中的Ni、Cr元素生成NiO等尖晶石相的氧化物。力学性能测试表明，YSZ+LZO复合涂层的摩擦系数高于单层YSZ涂层，说明其表面更粗糙。单层YSZ涂层与YSZ+LZO复合涂层相比在相同的载荷试验条件下有更高的显微硬度值，即有更好的抗压变形能力。