陶瓷热障涂层材料的抗高温腐蚀机理与相变研究

The background of this project is the salt erosion and heat erosion in the ceramic thermal barrier coating (YSZ) on blade of gas turbine and jet engine at high temperature. In the project, the mechanism of salt reaction thermodynamics and kinetics in the TBCs will be studied and to find an effective additives for anti-erosion, through a specially designed experimental instrument simulating the spot condition of turbine operation. At the same time, select the multi-additives for anti-thermal erosion and phase transition at high temperature by theory analysis and model simulation. Study on the effects of content, composition of additives on the structure and properties of TBC；the kinetics of high temperature erosion and phase transition and mechanism, to find the mechanism for stabilization of additives in the TBCs. Built the mathematical and physical model of anti-erosion and phase stabilization on multi-additives for zirconia base TBCS. Acquire theory and method for the heat anti-salt erosion and thermal erosion and phase transition of TBCs.

本项目以燃气轮机和喷气发动机涡轮叶片陶瓷热障涂层材料YSZ的高温熔盐腐蚀和相变热腐蚀为应用背景开展研究工作。通过建立模拟燃气轮机实际工况的实验装置进行熔盐热腐蚀研究；研究熔盐腐蚀动力学和热力学机制以及对高温相变的影响；寻找出抗熔盐腐蚀的添加剂。同时，利用模拟燃气轮机实际工况实验装置进行高温热腐蚀和相变动力学研究。通过理论分析和计算选择YSZ的抗热腐蚀和高温相变的多元稳定剂；研究稳定剂相组成与含量对多元共稳定氧化锆的结构、性能的影响机制；研究稳定剂对抗热腐蚀性能和相变的影响机制；探讨多元共稳定氧化锆抗热腐蚀和相变机理；建立多元共稳定氧化锆陶瓷热障涂层材料的抗热腐蚀动力学和热力学以及相变数学物理模型；获得系统的高温抗热熔盐腐蚀、热腐蚀和相变的理论与方法。

高温熔盐热腐蚀是影响航空飞行发动机以及高温燃气轮机高温叶片寿命的重要因素。大气中的风沙和粉尘经燃烧室变成液相直接喷吹附着在高温叶片表面的陶瓷涂层上，可以造成陶瓷热障涂层脱落，进而损坏高温合金叶片。本课题以研究热障涂层材料面临的高温熔盐腐蚀和热腐蚀行为和机理，研究因燃气中微量粉尘导致熔盐反应导致的陶瓷热障涂层材料发生相变和失效剥落的行为和机理，通过添加抗腐蚀添加剂的作用机理和对陶瓷热障涂层材料结构和性能的影响，最终寻找出能够延缓和阻止陶瓷热障涂层材料高温腐蚀的途径。课题执行期间，我们系统的研究了高温陶瓷热障涂层材料的高温腐蚀动力学规律，探讨了高温熔盐腐蚀动力学机理，基于熔盐反应热力学，研究了高温陶瓷热障涂层材料的高温腐蚀热力学规律；同时，同时，计算了不同添加元素的陶瓷热障涂层材料与高温熔盐的反应自由能，特别是发现可以阻碍与熔盐反应的组份,由此提出可以保护或延缓陶瓷热障涂层材料的高温腐蚀速度的措施。