稀土氧化物LnO1.5对ZrO2热障涂层材料性能的影响机理

现代航空燃气涡轮发动机向大推重比、高效率、高进气温度、高可靠性和长寿命方向发展。热障涂层是提高航空发动机进口温度、发动机寿命及其可靠性的有效措施。但使用温度T≥1200℃时，目前普遍使用的6-8%摩尔氧化钇部分稳定氧化锆（6-8YSZ）热障涂层由（非相变四方相）t′相分解为(相变四方相)t相引起的体积近3.5%的膨胀导致开裂失效，因此无法满足现代航空燃气涡轮机对更高工作温度以及长寿命的要求。因此，探寻稳定7-8YSZ热障涂层材料t′相途径对传统YSZ的改性以及在此项基础上开发耐高温、长寿命、低热导率的新一代热障涂层具有重要的理论和实际意义。.t′相稳定性受掺杂离子种类及含量密切相关。本研究拟通过在YSZ中加入五价氧化物Ta2O5或Nb2O5，提高YSZ热障涂层材料t′相的分解温度，在此基础上引入稀土氧化物LnO1.5，形成LnO1.5-Ta2O5（或Nb2O5）-Y2O3-ZrO2热障涂层

该项目按计划完成了各项工作。应用固相合成法制备了LnO1.5-Ta2O5（或Nb2O5）-Y2O3-ZrO2陶瓷材料（LnO1.5为GdO1.5、 NdO1.5、Sm2O1.5），利用XRD衍射仪（Bruke D8 Advance）对所合成陶瓷材料的物相组成进行分析，利用Raman衍射对其结构进行分析，研究了稀土氧化物种类及其含量对陶瓷材料结构的影响规律。结果表明，稀土氧化物掺杂量较小（一般≤2%）时陶瓷材料为四方相，随着掺杂量的增大，逐步有单斜相出现，其中GdO1.5≤6%高温1200℃处理200h后，材料仍能稳定为四方t/t′相，这对于获得良好的高温性能有着重要意义。通过扫描电镜照片对材料断面处观察，掺杂稀土氧化物后晶粒尺寸明显减小(1.5~5.5um)，说明掺杂稀土具有一定的抑制烧结机晶粒长大的作用。研究了稀土掺杂对陶瓷材料的热物理性能的影响。利用STA 449C对测试材料的热容，NET LFA427导热仪测试材料的热导率，并利用声子散射对其导热机理进行分析，采用NetZSch DIL402C热膨胀分析仪测定试样的线变化率，获得了稀土氧化物种类及其含量对热物理性能的影响规律。结果表明，稀土氧化物的掺杂可以有效的降低材料的热容、热扩散系数以及热导率，不会引起热膨胀系数的降低。对陶瓷材料的热导率进行理论分析，掺杂引起的质量差异、离子半径差异引起的应力场均会对声子的散射有所贡献。利用EB-PVD方法制备了Gd2O3-Ta2O5-Y2O3-ZrO2热障涂层，分析涂层的相组成、显微形貌、热循环性能以及恒温抗氧化性能，结果表明Gd2O3-Y2O3-Ta2O5-ZrO2热障涂层具有典型的EB-PVD制备热障涂层的柱状晶结构，相成分以t/t′相为主。Gd2O3-Y2O3-Ta2O5-ZrO2热障涂层经过恒温静态氧化试验500h失效、热循环试验可达600次，对新型高性能热障涂层材料的发展具有实际应用价值。.项目在完成过程中，已发表学术论文7篇，其中国内核心期刊3篇，国外期刊4篇（SCI收录）。培养硕士研究生6名（4名在读，2名毕业），在读博士1名。该项目合成的LnO1.5-Ta2O5/Nb2O5-Y2O3-ZrO2陶瓷材料新型热障涂层陶瓷靶材经过中国航空工业集团北京航空材料研究院的喷涂测试以及性能评价后得到该单位的应用。