纵向裂纹改性铈酸镧复合涂层高温服役稳定性的机理研究

The temperature for long-term use of Yttria stabilized Zirconia (YSZ), the first generation of thermal barrier coating material, cannot exceed 1,250℃, so it is hard to meet the requirement of high temperature and long-life for the next generation of high performance aero engine. La2Ce2O7 (LC) has been proposed as a promising TBCs material, the thermo-physical and mechanical properties, stability of organization and structure, thermal shock resistance of modified LC have been studied before, but since its stabilizing mechanism under the laboratory conditions is unclear, and what’s more the thermal shock resistance needs to be further enhanced. Our study will focus on high temperature stabilizing mechanism of modified LC composite coatings, try to reveal the change regulation on composite coatings of thermo-physical, mechanical properties and thermal cycling life, clarify the effect of coating failure with the matching of thermal expansion coefficient, interface reaction, boundary defect, sintering and phase transformation of the ceramic layer, and master the control technique of crack density. LC TBCs is developed to provide a feasible method and lay the theoretical foundation for advanced turbine engine.

第一代热障涂层陶瓷隔热层材料氧化钇稳定氧化锆(YSZ)的长期使用温度不超过1250℃，难以满足下一代高性能航空发动机超高温长寿命的要求。La2Ce2O7(LC)是一种非常有应用前景的超高温高隔热陶瓷材料，申请人对LC的热物理和力学性能、组织结构稳定性、抗热震性能等进行了前期的基础研究，但是LC涂层在实验室条件下的失效机理尚未明确，其热循环性能也有待提高。本项目拟开展纵向裂纹改性铈酸镧复合涂层高温服役稳定性的机理研究，揭示不同纵向裂纹密度条件下，复合涂层热物性、力学性能和热循环寿命的变化规律，阐明热膨胀系数匹配、界面反应、界面缺陷、陶瓷层烧结及相变对涂层失效的影响,掌握纵向裂纹密度的精确控制方法，为研制出长寿命高可靠性热障涂层提供理论依据。

目前广泛使用的热障涂层材料氧化锆（YSZ）在1200℃时发生烧结和相变，限制了其在更高温度下的使用。铈酸镧（LCO）与YSZ相比有较好的热稳定性，较低的热导率和较高的热膨胀系数，在众多的热障涂层材料中脱颖而出。本项目研究了纵向裂纹改性铈酸镧复合涂层高温服役稳定性的机理研究，揭示不同纵向裂纹密度条件下，复合涂层热物性、力学性能和热循环寿命的变化规律，阐明热膨胀系数匹配、界面反应、界面缺陷、陶瓷层烧结及相变对涂层失效的影响。. 本项目使用一种热障涂层制备新技术，以溶液代替粉末送料，采用共沉淀法制备铈酸镧溶液前驱体，以镧和铈的无机盐为原料，以去离子水作为溶剂，研究溶液性能对涂层结构的影响规律以及前驱体在高温下的物相变化；优化工艺参数制备铈酸镧热障涂层并对涂层的物相形貌分析，研究喷涂工艺对涂层性能的影响规律。. 采用六水硝酸铈（Ce(NO3)3•6H2O）和六水硝酸镧（La(NO3)3•6H2O）作为主要原料，乙二醇作为分散剂，氨水作为沉淀剂配制出了溶液前驱体。溶液前驱体中的Ce(OH)3与La(OH)3胶体微粒数量受到PH值的影响，溶液PH值在3~5之间可以得到更多的Ce(OH)3与La(OH)3胶体微粒并且能够稳定存在。前驱体溶液的粘度受到溶液浓度的影响，随着浓度的提高粘度也在不断增大。前驱体浓度不同固含量也不同，随着浓度的提高溶液的固含量也不断增加。固含量最低数值达到39.36%。喷涂功率为45kw，送料速率为26ml/min雾化器压力为1bar，喷涂距离为35mm，基板温度为350℃，喷枪移动步进为1.5的工艺下0.4mol/L喷涂制备的铈酸镧涂层结构最优。对铈酸镧热障涂层进行XRD分析，通过XRD图谱分析可以看出采用溶液输送方式制备的铈酸镧热障涂层具有萤石结构。涂层中存在着氧化镧的相，后期调整铈的比例之后，XRD图谱当中氧化镧的峰基本消失，通过调整铈的含量可以得到单一相的铈酸镧。