自愈合抗氧化熱障涂層的制備、性能及其應(yīng)用研究.pdf

1、熱障涂層（簡(jiǎn)稱TBC），是由三個(gè)部分組成：粘接層；熱生長(zhǎng)氧化物；陶瓷頂層。當(dāng)TBC在高溫下服役時(shí)，TGO才會(huì)生成。而在TGO生成的初期，TGO可以在一定的程度上起到抑制氧化物生長(zhǎng)的作用，即可視為抗氧化涂層。但是隨著TBC在高溫下服役時(shí)間的延長(zhǎng)，TGO不斷生長(zhǎng)并最終導(dǎo)致了涂層整體的破壞性剝落。TGO是造成TBC破壞的主要原因。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)報(bào)道了多種能夠提高TBC抗氧化性與壽命的方法。其中，根據(jù)已有科研成果可知，Al2O3(在1400

2、 ℃時(shí)，其氧擴(kuò)散系數(shù)為~1012cm2/s)薄膜具有良好的抗氧化性。另外，還有很多研究人員也得出了相似的結(jié)論，即Al2O3薄膜/涂層的確能在一定程度上提高TBC的抗氧化性。但是經(jīng)過(guò)大氣等離子噴涂技術(shù)（簡(jiǎn)稱APS）設(shè)備制備的Al2O3或者Al2O3/YSZ涂層本身具有較高的孔隙率，這會(huì)導(dǎo)致涂層的抗氧化性降低。自愈合材料包括陶瓷材料，高分子化合物材料，金屬材料和復(fù)合材料。正如其名字自愈合所表達(dá)的含義一樣，自愈合材料因?yàn)榧訜?、受力、受到?jīng)_擊或

3、其他因素而造產(chǎn)生裂紋時(shí)，其自身具有能夠修復(fù)自生的特性。目前，除了部分關(guān)于防腐涂層的自愈合材料應(yīng)用的研究外，鮮有關(guān)于熱障涂層方面的自愈合材料應(yīng)用研究。自愈合材料具有提高涂層的抗氧化性的可能性，其原理是通過(guò)密封效應(yīng)提高涂層的孔隙率，減少涂層中的氧擴(kuò)散通道。在相關(guān)的研究中，NASA中心的研究者們嘗試航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫部件上使用輕質(zhì)自愈合陶瓷材料，并且通過(guò)研究得知SiC及其對(duì)應(yīng)的氧化物能夠有足夠的塑性來(lái)阻止裂紋的擴(kuò)展，同時(shí)也有自愈合的能力來(lái)密封裂紋

4、并阻止氧的侵入。本課題組的前期研表明，TiC能夠很好的實(shí)現(xiàn)自愈合功能，并且在防氚滲透涂層方面有很成功的應(yīng)用。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴TAZ20對(duì)應(yīng)的成分（其成分為20 wt％ TiC,40 wt% Al2O3和40 wt% YSZ）被認(rèn)為是最適合做基于TiC自愈合涂層的成分。經(jīng)過(guò)自愈合熱處理后，TAZ20自愈合涂層中的孔隙率從本征的9.96%下降至3.28%。而在諸多基于TiC的自愈合熱障涂層中，TAZ20自愈合熱障涂層在10

5、00℃下表現(xiàn)出最好的抗氧化性。其TGO生成面積為6.67%，僅為傳統(tǒng)熱障涂層TGO生成面積的50.11%。而經(jīng)過(guò)1000℃熱循環(huán)測(cè)試可知，TAZ20的壽命為傳統(tǒng)熱障涂層的兩倍以上。⑵最適用與基于TiC自愈合熱障涂層的TAZ20涂層厚度為10um左右，因?yàn)檫^(guò)厚的TAZ20涂層厚度會(huì)引起不必要的體積增生和體積應(yīng)變，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致涂層中的裂紋萌發(fā)和擴(kuò)展。三層陶瓷層結(jié)構(gòu)（TAZ20/YSZ/TAZ20）的TiC自愈合熱障涂層在1100℃下具有最好的

6、抗氧化性和抗熱循環(huán)性。經(jīng)過(guò)氧化，該涂層的氧化增重、氧化失重和壽命分別為同批次傳統(tǒng)TBC的64.77%,48.91%和188.24%。在900℃的75 wt% Na2SO4+25 wt% NaCl熱腐蝕實(shí)驗(yàn)中，三層陶瓷結(jié)構(gòu)的TiC自愈合熱障涂層也具有良好的抗熱腐蝕性能。⑶SAZ10對(duì)應(yīng)的成分（其成分為10vol% SiC,45vol%Al2O3和45vol%YSZ）被認(rèn)為是最適合做基于SiC自愈合涂層的成分。經(jīng)過(guò)自愈合熱處理后，SAZ10

7、自愈合涂層中的孔隙率從本征的9.39%下降至1.94%。而在諸多基于SiC的自愈合熱障涂層中，SAZ10自愈合熱障涂層在1100℃下表現(xiàn)出最好的抗氧化性。其TGO生成面積為37.11%，僅為傳統(tǒng)熱障涂層 TGO生成面積的57.90%。而經(jīng)過(guò)1100℃熱循環(huán)測(cè)試可知，SAZ10的壽命為傳統(tǒng)熱障涂層的128.57%。⑷最適用與基于SiC自愈合熱障涂層的SAZ10涂層厚度為10um左右，因?yàn)檫^(guò)厚的SAZ涂層厚度會(huì)引起不必要的體積增生和體積應(yīng)變

8、，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致涂層中的裂紋萌發(fā)和擴(kuò)展。三層陶瓷層結(jié)構(gòu)（SAZ10/YSZ/SAZ10）的SiC自愈合熱障涂層在1100℃下具有最好的抗氧化性和抗熱循環(huán)性。經(jīng)過(guò)氧化，該涂層的氧化增重、氧化失重和壽命分別為同批次傳統(tǒng)TBC的61.38%,38.87%和171.43%。在900℃的75 wt% Na2SO4+25wt% NaCl熱腐蝕實(shí)驗(yàn)中，三層陶瓷結(jié)構(gòu)的SiC自愈合熱障涂層也具有良好的抗熱腐蝕性能。⑸設(shè)計(jì)了一種氮化TBC。即在制備YSZ涂層之

9、前，現(xiàn)在粘接層的表面進(jìn)行氮化處理。研究結(jié)果表明，由1100℃高溫氧化實(shí)驗(yàn)可知，該涂層的氧化增重和氧化失重分別為同批次傳統(tǒng)TBC的85.90%和56.11%。而又由1100℃熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)可知，其壽命為傳統(tǒng)TBC的123.33%。⑹設(shè)計(jì)了一種Cr2O3- Al2O3 TBC。經(jīng)學(xué)者研究，Cr2O3- Al2O3涂層具有較低的孔隙率，這意味著該涂層能夠減少氧擴(kuò)散的通道。另外，Al2O3具有良好的抗氧化性，它可以抑制TGO的生長(zhǎng)。研究結(jié)果表明，由