ZnO对层状结构铟铁锌氧封严涂层材料隔热及可磨耗性能的影响机理研究

Abradable seal coatings are often used to improve sealing between rotating and stationary parts in industrial turbines,which is an important method to increase the operating efficiency and reduce fuel consumption. An even higher teperature resistivity is required for the seal coatings applied on anew generation of high-performance aero-engine.Thus extensive efforts have been done to develop a novel promissing abrable coating which owns high thermal barrier and abrable .However, the most typically abradable seal coatings of (ZrO2 and BN) series applied above 1000℃ usually suffer from the weak abrable properties after a long time working. Our previous research indicated that InFeZnO4 ceramic has a lower thermal conductivity, and whose layered structure indictes that it would own good abrable properties. In this proposal, the thermal transport mechanism and abrable mechanism are investigated by studyingthe effects of m value on the thermal barrier and abrable properties in the InFeO3(ZnO)m (m = 1-19) family. The high performance of abradable seal coatings is expected to obtained in this family through optimizing m values.One can believe that the researching work based on this proposal would provide experimental and theoretical guidelines for the developing abradable seal coatings .

可磨耗封严涂层能改善飞机发动机中旋转部件和固定部件之间的密封性，已成为提高发动机工作效率，降低耗油率的主要方法之一。新一代高性能的发动机要求封严涂层可耐受更高工作温度，开发研究在高温条件下既具有高温隔热又具有可磨耗封严性能的新型封严涂层有着巨大的应用研究潜力。目前服役温度高于1000℃ 的封严涂层主要是陶瓷(ZrO2、BN)系，但在长期服役后可磨耗性存在明显问题。作者前期研究工作发现了一种层状的InFeZnO4陶瓷材料具有优异的高温隔热性能和可磨耗性能，在此基础上，本项目研究元素成分变化(m值)对InFeO3(ZnO)m（m = 1-19）材料体系微观结构、热物理性能和可磨耗性的影响规律，阐明隔热性能和可磨耗性的内在机理，确定一种高温隔热性能和可磨耗性能俱佳的材料成分组成，为高温封严涂层的应用提供实验和理论依据。

新一代高性能的发动机要求封严涂层可耐受更高工作温度，开发研究在高温条件下既具有高温隔热又具有可磨耗封严性能的新型封严涂层有着巨大的应用研究潜力。目前服役温度高于1000oC 的封严涂层主要是陶瓷(ZrO2、BN)系，但在长期服役后可磨耗性存在明显问题。本项目作者在前期对层状的InFeZnO4陶瓷材料研究工作基础上，研究元素成分变化对InFeO3(ZnO)m（m = 1-19）材料体系微观结构、热物理性能和可磨耗性的影响规律，阐明其内在机理，寻找一种综合性能俱佳的材料成分组成，为高温封严涂层的应用提供实验和理论依据。研究了固相合成制备的InFeO3(ZnO)m(m=1~5)陶瓷材料的高温相稳定性、热物理性能及InFeZnO4块材的力学性能。InFeO3(ZnO)m(m=1~5)材料体系在1400℃具有优异的高温相稳定性，在1000℃热导率为1.38~2.1W•m-1•K-1， InFeZnO4块材(~76HR45Y)的洛氏硬度略低于YSZ块材(~85HR45Y)，摩擦系数远小于YSZ块材。研究了Yb2O3/Gd2O3掺杂的InFeZnO4陶瓷材料高温相稳定性和热物理性能。改性后的InFeZnO4块材热导率随着掺杂量增加而下降，In0.8Gd0.2FeZnO4具有最低的热导率。研究了In1-xYbxFeZnO4(x= 0, 0.1, 0.2,..., 0.8, 0.9, 1.0)陶瓷材料的晶体结构与隔热性能。In1-xYbxFeZnO4均为单相固溶体，保持YbFe2O4层状晶体结构。随着Yb的掺杂量的不断增大，其热导率先减小后增大，并在x=0.6，T=1000℃时取得最小值。研究了In0.4Yb0.6FeZn1-yMgyO4(y= 0, 0.1, 0.2, ..., 0.8, 0.9, 1.0)陶瓷材料的晶体结构与隔热性能。随着Yb的掺杂量的不断增大，其热导率先减小后增大，热导率在y=0.5，T=1000℃时取得最小值。研究了In0.4Yb0.6FeZn0.5Mg0.5O4陶瓷材料的热物理性能与可磨耗性能。在1400℃具有良好的相稳定性，室温洛氏硬度比8YSZ更低，摩擦系数也比8YZ更小，体积冲蚀率随着冲蚀角度的增大和环境温度的升高而增大，还需改善，综合评价In0.4Yb0.6FeZn0.5Mg0.5O4陶瓷材料是一种优秀的备选的封严涂层材料。