热障涂层.ppt

学术交流报告学术交流报告主要内容主要内容n n研究背景研究背景n n研究内容研究内容n n研究意义研究意义研究背景研究背景 热障涂层是无机涂层的一个重要分热障涂层是无机涂层的一个重要分支，它能够有效保护先进发动机高支，它能够有效保护先进发动机高温部件并改善发动机性能温部件并改善发动机性能,在发动机在发动机技术中占有十分重要的地位。技术中占有十分重要的地位。热障涂层的结构热障涂层的结构l l目前，热障涂层的结构主要有双层结构，多层结构和目前，热障涂层的结构主要有双层结构，多层结构和目前，热障涂层的结构主要有双层结构，多层结构和目前，热障涂层的结构主要有双层结构，多层结构和梯度结构。梯度结构。梯度结构。梯度结构。l l双层结构结构简单，但由于金属和陶瓷热物性能相差双层结构结构简单，但由于金属和陶瓷热物性能相差双层结构结构简单，但由于金属和陶瓷热物性能相差双层结构结构简单，但由于金属和陶瓷热物性能相差较大，在使用过程中容易脱落。较大，在使用过程中容易脱落。较大，在使用过程中容易脱落。较大，在使用过程中容易脱落。l l多层结构相对双层抗氧化性较好，但热震性能改善不多层结构相对双层抗氧化性较好，但热震性能改善不多层结构相对双层抗氧化性较好，但热震性能改善不多层结构相对双层抗氧化性较好，但热震性能改善不大，且工艺复杂，重复性，可靠性较差。大，且工艺复杂，重复性，可靠性较差。大，且工艺复杂，重复性，可靠性较差。大，且工艺复杂，重复性，可靠性较差。l l梯度涂层的化学成分，组织结构及力学性能呈连续变梯度涂层的化学成分，组织结构及力学性能呈连续变梯度涂层的化学成分，组织结构及力学性能呈连续变梯度涂层的化学成分，组织结构及力学性能呈连续变化，实现了陶瓷涂层与高温合金的最佳性能匹配，提化，实现了陶瓷涂层与高温合金的最佳性能匹配，提化，实现了陶瓷涂层与高温合金的最佳性能匹配，提化，实现了陶瓷涂层与高温合金的最佳性能匹配，提高其结合强度，并使热应力得到缓解，有效防止涂层高其结合强度，并使热应力得到缓解，有效防止涂层高其结合强度，并使热应力得到缓解，有效防止涂层高其结合强度，并使热应力得到缓解，有效防止涂层的剥落。的剥落。的剥落。的剥落。热障涂层陶瓷层材料热障涂层陶瓷层材料l l合适的热障涂层表面层材料应满足如下基本合适的热障涂层表面层材料应满足如下基本合适的热障涂层表面层材料应满足如下基本合适的热障涂层表面层材料应满足如下基本要求要求要求要求:l l(1)(1)(1)(1)高熔点高熔点高熔点高熔点;(2);(2);(2);(2)在室温与工作温度之间无相在室温与工作温度之间无相在室温与工作温度之间无相在室温与工作温度之间无相变变变变;(3);(3);(3);(3)热导率低热导率低热导率低热导率低;(4);(4);(4);(4)良好的化学稳定性；良好的化学稳定性；良好的化学稳定性；良好的化学稳定性；(5)(5)(5)(5)热膨胀系数与金属基体匹配热膨胀系数与金属基体匹配热膨胀系数与金属基体匹配热膨胀系数与金属基体匹配;(6);(6);(6);(6)与金属与金属与金属与金属基体结合力高基体结合力高基体结合力高基体结合力高;(7);(7);(7);(7)较低的烧结速率较低的烧结速率较低的烧结速率较低的烧结速率.l l其中其中其中其中,最重要的是热导率、热膨胀系数和高温最重要的是热导率、热膨胀系数和高温最重要的是热导率、热膨胀系数和高温最重要的是热导率、热膨胀系数和高温相稳定性能相稳定性能相稳定性能相稳定性能l l可用于热障涂层的材料的有氧化铝，氧化锆及其复合氧化可用于热障涂层的材料的有氧化铝，氧化锆及其复合氧化可用于热障涂层的材料的有氧化铝，氧化锆及其复合氧化可用于热障涂层的材料的有氧化铝，氧化锆及其复合氧化物，稀土锆酸盐，稀土铈酸盐。物，稀土锆酸盐，稀土铈酸盐。物，稀土锆酸盐，稀土铈酸盐。物，稀土锆酸盐，稀土铈酸盐。l l氧化铝由于热导率相对较高，热膨胀系数较小，弹性模量氧化铝由于热导率相对较高，热膨胀系数较小，弹性模量氧化铝由于热导率相对较高，热膨胀系数较小，弹性模量氧化铝由于热导率相对较高，热膨胀系数较小，弹性模量大，致使其隔热性能和抗热冲击性能较差，目前已经被淘大，致使其隔热性能和抗热冲击性能较差，目前已经被淘大，致使其隔热性能和抗热冲击性能较差，目前已经被淘大，致使其隔热性能和抗热冲击性能较差，目前已经被淘汰。汰。汰。汰。l l氧化锆具有高熔点，良好的高温化学稳定性，低热导率，氧化锆具有高熔点，良好的高温化学稳定性，低热导率，氧化锆具有高熔点，良好的高温化学稳定性，低热导率，氧化锆具有高熔点，良好的高温化学稳定性，低热导率，与金属基体材料相近的热膨胀系数以及优良的力学性能，与金属基体材料相近的热膨胀系数以及优良的力学性能，与金属基体材料相近的热膨胀系数以及优良的力学性能，与金属基体材料相近的热膨胀系数以及优良的力学性能，是目前应用最为广泛的材料。氧化锆在是目前应用最为广泛的材料。氧化锆在是目前应用最为广泛的材料。氧化锆在是目前应用最为广泛的材料。氧化锆在1180118011801180度会发生相变，度会发生相变，度会发生相变，度会发生相变，并伴随并伴随并伴随并伴随3%-5%3%-5%3%-5%3%-5%的体积膨胀。为此，需加入稳定剂。常用的稳的体积膨胀。为此，需加入稳定剂。常用的稳的体积膨胀。为此，需加入稳定剂。常用的稳的体积膨胀。为此，需加入稳定剂。常用的稳定剂有氧化钙，氧化镁，氧化钇，氧化铈，氧化硅，氧化定剂有氧化钙，氧化镁，氧化钇，氧化铈，氧化硅，氧化定剂有氧化钙，氧化镁，氧化钇，氧化铈，氧化硅，氧化定剂有氧化钙，氧化镁，氧化钇，氧化铈，氧化硅，氧化铌等铌等铌等铌等。l l目前对稀土锆酸盐的研究主要集中在烧绿石结构的锆酸盐目前对稀土锆酸盐的研究主要集中在烧绿石结构的锆酸盐目前对稀土锆酸盐的研究主要集中在烧绿石结构的锆酸盐目前对稀土锆酸盐的研究主要集中在烧绿石结构的锆酸盐A A A A3+3+3+3+2 2 2 2B B B B4+4+4+4+2 2 2 2O O O O7 7 7 7,该锆酸盐具有比该锆酸盐具有比该锆酸盐具有比该锆酸盐具有比YSZYSZYSZYSZ更低的热导率、更高的高温更低的热导率、更高的高温更低的热导率、更高的高温更低的热导率、更高的高温稳定性稳定性稳定性稳定性.研究表明研究表明研究表明研究表明,从元素从元素从元素从元素LaLaLaLa到到到到GdGdGdGd的锆酸盐至少在的锆酸盐至少在的锆酸盐至少在的锆酸盐至少在1500150015001500下下下下具有良好的相稳定性具有良好的相稳定性具有良好的相稳定性具有良好的相稳定性.l l稀土铈酸盐与稀土锆酸盐相比稀土铈酸盐与稀土锆酸盐相比稀土铈酸盐与稀土锆酸盐相比稀土铈酸盐与稀土锆酸盐相比,由于由于由于由于CeOCeOCeOCeO2 2 2 2的熔点低于的熔点低于的熔点低于的熔点低于ZrOZrOZrOZrO2 2 2 2,所以理论上认为稀土铈酸盐热膨胀系数应该高于稀土锆酸所以理论上认为稀土铈酸盐热膨胀系数应该高于稀土锆酸所以理论上认为稀土铈酸盐热膨胀系数应该高于稀土锆酸所以理论上认为稀土铈酸盐热膨胀系数应该高于稀土锆酸盐盐盐盐.但目前有关稀土铈酸盐的报道仅限于但目前有关稀土铈酸盐的报道仅限于但目前有关稀土铈酸盐的报道仅限于但目前有关稀土铈酸盐的报道仅限于LaLaLaLa2 2 2 2CeCeCeCe2 2 2 2O O O O7 7 7 7和和和和NdNdNdNd2 2 2 2CeCeCeCe2 2 2 2O O O O7 7 7 7.研究表明研究表明研究表明研究表明,二者的热膨胀系数分别是二者的热膨胀系数分别是二者的热膨胀系数分别是二者的热膨胀系数分别是1414141410101010-6-6-6-6/K/K/K/K和和和和1313131310101010-6-6-6-6/K,/K,/K,/K,远高于稀土锆酸盐远高于稀土锆酸盐远高于稀土锆酸盐远高于稀土锆酸盐,并且具有良好的高温相稳并且具有良好的高温相稳并且具有良好的高温相稳并且具有良好的高温相稳定性能定性能定性能定性能,Nd,Nd,Nd,Nd2 2 2 2CeCeCeCe2 2 2 2O O O O7 7 7 7的热导率同样远低于的热导率同样远低于的热导率同样远低于的热导率同样远低于YSZ.YSZ.YSZ.YSZ.涂层制备工艺涂层制备工艺l l涂层制备工艺主要有等离子喷涂技术、液相涂层制备工艺主要有等离子喷涂技术、液相涂层制备工艺主要有等离子喷涂技术、液相涂层制备工艺主要有等离子喷涂技术、液相等离子喷、电子束物理气相沉积、激光重熔等离子喷、电子束物理气相沉积、激光重熔等离子喷、电子束物理气相沉积、激光重熔等离子喷、电子束物理气相沉积、激光重熔或溶敷、自蔓延高温合成法或溶敷、自蔓延高温合成法或溶敷、自蔓延高温合成法或溶敷、自蔓延高温合成法(SHS)(SHS)(SHS)(SHS)、电泳沉、电泳沉、电泳沉、电泳沉积等方法。积等方法。积等方法。积等方法。l l目前最常用的是等离子喷涂，电子束物理气目前最常用的是等离子喷涂，电子束物理气目前最常用的是等离子喷涂，电子束物理气目前最常用的是等离子喷涂，电子束物理气相沉积。相沉积。相沉积。相沉积。n n等离子喷涂涂层沉积快等离子喷涂涂层沉积快等离子喷涂涂层沉积快等离子喷涂涂层沉积快,生产效率高生产效率高生产效率高生产效率高,对涂层材料对涂层材料对涂层材料对涂层材料要求宽松要求宽松要求宽松要求宽松,操作简便操作简便操作简便操作简便,制备成本低。缺点是陶瓷涂制备成本低。缺点是陶瓷涂制备成本低。缺点是陶瓷涂制备成本低。缺点是陶瓷涂层表面粗糙层表面粗糙层表面粗糙层表面粗糙;涂层以机械结合为主涂层以机械结合为主涂层以机械结合为主涂层以机械结合为主,应变容限差应变容限差应变容限差应变容限差;涂涂涂涂层中缺陷较多。层中缺陷较多。层中缺陷较多。层中缺陷较多。n nEB-PVDEB-PVDEB-PVDEB-PVD制备的制备的制备的制备的TBCTBCTBCTBC稳定性好稳定性好稳定性好稳定性好,高温下有良好的应变高温下有良好的应变高温下有良好的应变高温下有良好的应变承受能力承受能力承受能力承受能力,从而提高了涂层的抗热疲劳性能从而提高了涂层的抗热疲劳性能从而提高了涂层的抗热疲劳性能从而提高了涂层的抗热疲劳性能;表面表面表面表面光滑光滑光滑光滑,陶瓷层陶瓷层陶瓷层陶瓷层/粘结层界面为扩散冶金结合粘结层界面为扩散冶金结合粘结层界面为扩散冶金结合粘结层界面为扩散冶金结合.但涂但涂但涂但涂层的导热系数高于等离子喷涂层。且其沉积效率层的导热系数高于等离子喷涂层。且其沉积效率层的导热系数高于等离子喷涂层。且其沉积效率层的导热系数高于等离子喷涂层。且其沉积效率远低于远低于远低于远低于APS,APS,APS,APS,设备造价昂贵设备造价昂贵设备造价昂贵设备造价昂贵,制造的部件尺寸也受到制造的部件尺寸也受到制造的部件尺寸也受到制造的部件尺寸也受到真空室的限制真空室的限制真空室的限制真空室的限制。l l液相等离子喷涂液相等离子喷涂液相等离子喷涂液相等离子喷涂(SPS)(SPS)(SPS)(SPS)得到的涂层晶粒尺寸小得到的涂层晶粒尺寸小得到的涂层晶粒尺寸小得到的涂层晶粒尺寸小 ,结构致密结构致密结构致密结构致密 ,表面粗糙度小表面粗糙度小表面粗糙度小表面粗糙度小 ,结合强度结合强度结合强度结合强度,具有很好具有很好具有很好具有很好的绝热性能和强韧性。热稳定性好。的绝热性能和强韧性。热稳定性好。的绝热性能和强韧性。热稳定性好。的绝热性能和强韧性。热稳定性好。沉积速率沉积速率沉积速率沉积速率相对较快。具有良好的抗热震性和寿命相对较快。具有良好的抗热震性和寿命相对较快。具有良好的抗热震性和寿命相对较快。具有良好的抗热震性和寿命。l l自蔓延合成方法具有操作过程简单、自蔓延合成方法具有操作过程简单、自蔓延合成方法具有操作过程简单、自蔓延合成方法具有操作过程简单、节能省时、节能省时、节能省时、节能省时、反应迅速、反应迅速、反应迅速、反应迅速、成本低廉、成本低廉、成本低廉、成本低廉、纯度高等特点。但制备纯度高等特点。但制备纯度高等特点。但制备纯度高等特点。但制备的材料往往空隙多的材料往往空隙多的材料往往空隙多的材料往往空隙多 ,致密度低致密度低致密度低致密度低 ,强度低。通常采强度低。通常采强度低。通常采强度低。通常采用反应时加压和加强生坯涂层的致密度来提高密用反应时加压和加强生坯涂层的致密度来提高密用反应时加压和加强生坯涂层的致密度来提高密用反应时加压和加强生坯涂层的致密度来提高密度。度。度。度。涂层的失效机制涂层的失效机制n nTBCs TBCs TBCs TBCs 的失效剥落涉及因素众多的失效剥落涉及因素众多的失效剥落涉及因素众多的失效剥落涉及因素众多,主要有以下主要有以下主要有以下主要有以下几类几类几类几类:(1)(1)(1)(1)热膨胀失配而产生应力使涂层失效热膨胀失配而产生应力使涂层失效热膨胀失配而产生应力使涂层失效热膨胀失配而产生应力使涂层失效;(2)(2)(2)(2)由于相变引起涂层体积变化而使涂层失由于相变引起涂层体积变化而使涂层失由于相变引起涂层体积变化而使涂层失由于相变引起涂层体积变化而使涂层失效效效效;(3)(3)(3)(3)由于在中间层与外层界面热生长的氧化由于在中间层与外层界面热生长的氧化由于在中间层与外层界面热生长的氧化由于在中间层与外层界面热生长的氧化物物物物(Thermally grown oxide(Thermally grown oxide(Thermally grown oxide(Thermally grown oxide 简称简称简称简称 TGO)TGO)TGO)TGO)层对层对层对层对金属基体之间界面的破坏而造成失效。金属基体之间界面的破坏而造成失效。金属基体之间界面的破坏而造成失效。金属基体之间界面的破坏而造成失效。研究内容研究内容n n目前广泛应用的目前广泛应用的目前广泛应用的目前广泛应用的8YSZ8YSZ8YSZ8YSZ的长期使用温度为的长期使用温度为的长期使用温度为的长期使用温度为1200120012001200，超，超，超，超过过过过1200120012001200，相变加剧，易烧结，氧传导率高，过渡，相变加剧，易烧结，氧传导率高，过渡，相变加剧，易烧结，氧传导率高，过渡，相变加剧，易烧结，氧传导率高，过渡金属易被氧化，导致涂层失效，已难以满足涡轮进金属易被氧化，导致涂层失效，已难以满足涡轮进金属易被氧化，导致涂层失效，已难以满足涡轮进金属易被氧化，导致涂层失效，已难以满足涡轮进口温度进一步提高的需要。口温度进一步提高的需要。口温度进一步提高的需要。口温度进一步提高的需要。n n稀土锆酸盐相对于稀土锆酸盐相对于稀土锆酸盐相对于稀土锆酸盐相对于YSZYSZYSZYSZ更低的热导率、更高的高温稳更低的热导率、更高的高温稳更低的热导率、更高的高温稳更低的热导率、更高的高温稳定性等优点而成为研究的热点。定性等优点而成为研究的热点。定性等优点而成为研究的热点。定性等优点而成为研究的热点。n n本课题采用稀土锆酸盐共沉淀法制备实验所需的稀本课题采用稀土锆酸盐共沉淀法制备实验所需的稀本课题采用稀土锆酸盐共沉淀法制备实验所需的稀本课题采用稀土锆酸盐共沉淀法制备实验所需的稀土锆酸盐粉末。土锆酸盐粉末。土锆酸盐粉末。土锆酸盐粉末。