EB-PVD制備La-CeO2涂層的微觀結(jié)構(gòu)與熱輻射性能研究.pdf

1、超高聲速飛行器已成為世界各軍事大國競相研究的熱點(diǎn)。隨著飛行器的速度的提高,其表面受到的氣動(dòng)加熱更加劇烈,對防熱技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。金屬熱防護(hù)系統(tǒng)(MTPS)因其安全可靠性和可重復(fù)使用性從各種防熱系統(tǒng)中脫穎而出,成為防熱工程中所關(guān)注的焦點(diǎn)。但金屬外殼熔點(diǎn)低,限制了MTPS的進(jìn)一步發(fā)展。高發(fā)射率涂層可將表面氣動(dòng)熱以電磁波的形式輻射出去,以降低金屬外殼表面溫度,延長金屬熱防護(hù)系統(tǒng)的使用壽命。本文采用先進(jìn)的電子束物理氣相沉積(EB-PVD)技術(shù)

2、在Haynes214鎳基高溫合金表面制備了一種新型La-CeO2防熱涂層。研究了不同沉積功率下制備的具有不同形貌特征的純CeO2涂層和不同摻雜濃度的La摻雜CeO2(LDC)涂層的輻射性能、抗熱震性能和相關(guān)力學(xué)性能。利用XRD、XRF、XPS、SEM、極圖、激光共聚焦等分析手段研究了涂層的成分、物相、織構(gòu)、微觀組織和化學(xué)狀態(tài);利用紅外發(fā)射率測試儀測試了防熱涂層在600℃、800℃和1000℃下的紅外發(fā)射率,并探討了影響涂層發(fā)射率的原因;

3、在1000℃至室溫的熱循環(huán)條件下,對防熱涂層進(jìn)行了480次熱循環(huán)測試,考察了防熱涂層的抗熱震性能和熱循環(huán)過程中微觀組織和力學(xué)性能的變化;利用X射線衍射技術(shù)、顯微硬度計(jì)和劃痕法對防熱涂層的殘余應(yīng)力、顯微硬度、界面結(jié)合強(qiáng)度進(jìn)行了表征。
　　沉積功率直接影響涂層的生長方式和生長速度,進(jìn)而影響CeO2涂層的微觀組織和表面形貌。當(dāng)沉積功率為3kW時(shí),涂層為組織疏松的羽毛狀柱狀晶,表面為多孔狀形貌;沉積功率為4kW時(shí),涂層為比較疏松的片層狀柱

4、狀晶,表面粗糙,具有許多菜花狀顆粒團(tuán)簇;沉積功率為5kW時(shí),涂層為比較致密的方形柱狀晶,表面比較光滑致密。CeO2涂層具有傾斜的(200)晶面織構(gòu),但隨著沉積功率的增加,(200)晶面織構(gòu)減弱。沉積功率對CeO2涂層中Ce3+與Ce4+的相對濃度影響不大。
　　與光滑致密的CeO2涂層相比,多孔疏松的CeO2涂層發(fā)射率在800℃達(dá)0.87,粗糙的,具有菜花狀顆粒團(tuán)簇的CeO2涂層在600℃的發(fā)射率高達(dá)0.9,提高的幅度均達(dá)到50％

5、。發(fā)射率的增強(qiáng)機(jī)制是多孔表面的多重反射與吸收以及菜花狀周期性排列引起的共振吸收。熱循環(huán)測試表明這些CeO2涂層具有良好的抗熱震性能。經(jīng)歷480次1000℃-室溫?zé)嵫h(huán)之后,涂層沒有脫落的現(xiàn)象。從涂層表面損傷程度來看,隨著沉積功率的增加,出現(xiàn)的裂紋減少,抗熱震性增強(qiáng)。CeO2涂層良好的抗熱性能可歸結(jié)為三方面原因:高的熱膨脹系數(shù)、殘余壓應(yīng)力和柱狀晶結(jié)構(gòu)。在熱循環(huán)過程中,涂層的表面硬度先迅速增加后緩慢降低。涂層與基體之間生成TGO層,其厚度不

6、斷增加,平均每經(jīng)歷一次熱循環(huán)增長約16nm。沉積功率對CeO2涂層的表面硬度和界面結(jié)合強(qiáng)度的影響很小。
　　在LDC涂層中,La摻雜進(jìn)入了CeO2晶格,并引起了晶格膨脹,但并沒有改變其立方螢石結(jié)構(gòu)。隨著摻雜La濃度的增加,晶格畸變增大。LDC涂層也具有傾斜的(200)織構(gòu),并且隨著La濃度的增強(qiáng),(200)織構(gòu)逐漸增強(qiáng),織構(gòu)方向逐漸平行于表面法線方向。La的摻雜對涂層中Ce的氧化狀態(tài)、涂層的形貌影響不大,但提高了涂層中氧空位的濃度

7、。
　　La的摻雜濃度對LDC涂層的發(fā)射率,尤其是短波長區(qū)的發(fā)射率具有重要影響。隨著摻雜La濃度的增加發(fā)射率不斷提高。40%LDC涂層在600℃時(shí)的全譜發(fā)射率高達(dá)0.9,在1000℃下仍有0.76。隨著摻雜濃度的提高,一方面自由載流子濃度增加,促進(jìn)了自由載流子吸收,另一方面,晶格畸變程度增加,促進(jìn)了聲子吸收。LDC涂層也表現(xiàn)出良好的抗熱震性能,480次熱循環(huán)之后沒有涂層脫落的現(xiàn)象。LDC涂層的抗熱震性能與涂層的殘余應(yīng)力大小密切相關(guān)