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1、2010年 12月第 29卷第 4期内 蒙 古 科 技 大 学 学 报Journal of InnerM ongoliaUniversity of Science and TechnologyDecember,2010Vo.l29,No.4?文章编号:1004-9762(2010)04-0330-04热处理对热障涂层材料Y2O3部分稳定 ZrO2性能的影响*于海涛1,2,宋希文2,牛晓庆2,王艳华2,翟纪敏2,刘?丽2,李志军2(1?内蒙古包钢钢联股份有限公司 技术中心,内蒙古 包头?014010;2?内蒙古科技大学 材料与冶金学院,内蒙古包头?014010)关键词:热障涂层;Y2O3部分稳定
2、 Zr O2;固相合成;热处理;微观形貌;相组成中图分类号:TQ174?1+2?文献标识码:A摘?要:热障涂层用于燃气轮机的热端部件,可以显著提高其使用温度,延长热端部件的使用寿命,并增大燃气轮机发动机的效率?利用 Y2O3和 Zr O2为原料,通过固相合成法合成了 Y2O3(w(Y2O3)=6%8%)部分稳定的Zr O2(Y?PSZ)热障涂层陶瓷顶层,并对此陶瓷顶层的微观形貌、相组成进行了研究?同时研究了热处理对热障涂层材料 Y?PSZ性能的影响?Effect of heat treat ment on Y?PSZ cera mic forthermal barrier coatingsYU
3、 Hai?tao1,2,SONG Xi?wen2,NI U Xiao?qing2,WANG Yan?hua2,ZHAI Ji?m in2,LI U Li2,LI Zhi?jun2(1.TechnicalCenter,SteelUnion Co.Ltd.ofBaotou Steel(Group)Crop.,Baotou 014010,China;2.M aterials andM etallurgy Schoo,l In?nerMongoliaUniversity ofScience andTechnology,Baotou 014010,China)K ey words:ther malbar
4、rier coatings;Y?PSZ;solid state synthesis;heat treatment;m icrostructure;phase compositionAbstract:Ther malbarrier coatings(TBCs)were used to i mprove the durability of aircraft gas turbine,which not only increases co mpo?nent lifeti me,but allo ws higher engine te mperature and therefore better eff
5、iciency.Yttria partly stabilized zirconia(Y?PSZ)cera m ic forTBCswas prepared by solid state reaction ofY2O3with ZrO2.Them icrostructure,phase co mposition ofY?PSZmaterial and effect ofheattreatment onY?PSZ cera m ic for TBCs were investigated.?热障涂层(Ther m al barrier coatings,TBCs)由于其优异的隔热性能而广泛用于保护航
6、空发动机的高温部件,至今已有 20多年的历史?热障涂层一般是由具有一定厚度和耐久性的陶瓷顶层、金属粘结层和承受机械载荷的合金组成?金属粘结层通常起增加陶瓷层与基体的结合力和抗氧化的作用?陶瓷顶层材料的主要功能是在高温载荷下,形成沿涂层厚度的高温梯度,减弱向基体的传热,从而降低基体的工作温度,提高基体的抗高温氧化、抗腐蚀和抗磨损性能 1 5?热障涂层陶瓷材料的选择应具备以下基本功能:(1)熔点高;(2)在室温与工作温度之间的温度范围内没有相变;(3)热导率低;(4)化学稳定性高;(5)热膨胀系数与金属基体接近;(6)与金属基体具有良好的结合力;(7)烧结收缩率低?适合这些条件的热障涂层陶瓷顶层材
7、料非常有限,迄今为止只发现极少的材料基本符合这些要求 6 8?目前热障涂层陶瓷顶层常用的材料为 Y2O3*收稿日期:2010-09-11作者简介:于海涛(1983-),男,内蒙古赤峰人,内蒙古包钢钢联股份有限公司助理工程师,硕士?于海涛等:热处理对热障涂层材料 Y2O3部分稳定 Zr O2性能的影响(w(Y2O3)=6%8%)部 分 稳 定 的 Zr O2(Y?PSZ)9 11?本文通过固相合成法制备了热障涂层陶瓷顶层材料 Y?PSZ,并对此陶瓷材料的性能进行了研究,同时研究了热处理对热障涂层陶瓷顶层材料 Y?PSZ性能的影响?1?试验部分1?1?试验材料本试验所用的材料如表 1所示?表 1?
8、试验材料Table 1?M aterial of the speci m ens材料名称质量分数材料厂家纯?度Y2O38%包头稀土研究院99?9%Zr O292%包头稀土研究院99?9%1?2?试验过程本实验采用固相合成法制备热障涂层陶瓷顶层材料 Y?PSZ?试验材料为 Y2O3粉末(纯度 99?9%)和Zr O2粉末(纯度 99?9%)?称量前两种粉末均在120?下烘干 24 h?然后将 Y2O3和 ZrO2粉末按比例放入球磨缸中,加入无水乙醇和氧化锆球,置于球磨机上球磨 24 h?球磨后的混合溶液在干燥箱中干燥24 h?将干燥后的粉末分为两组:第一组不进行任何处理(1#料);第二组将干燥后
9、的粉末在 1 300?保温10 h,自然冷却至室温(2#料),然后将高温热处理的原料再在球磨机上球磨 24 h,球磨后的混合溶液在干燥箱中干燥 24 h?将 1#料和 2#料两组粉体压制成型制成各种规格的块材,用于测试材料的微观结构、相组成等?最后将各种规格的块材在高温厢式炉内1 650?无压烧结 5 h,然后自然冷却至室温?1?3?性能测试利用 FEI?QUANTA400型环境扫描电子显微镜(SEM)观察热障涂层陶瓷顶层材料 Y?PSZ的微观形貌?通过 Bruker D8 Advance型 X射线全自动衍射仪(XRD)对热障涂层陶瓷顶层材料 Y?PSZ的相成分进行分析,分析条件为 CuKa辐
10、射,工作电压为40 kV,工作电流为 200 mA,扫描范围为 20 80,扫描速度为 6/m in?2?试验结果与分析2?1?成分含量分析表 2为两种热障涂层陶瓷顶层材料 1#料(未进行热处理)和 2#料(进行热处理)的成分含量?从表2中的数据中发现:两种材料中 Zr O2的含量均大于设计值(ZrO2的设计值为 92%),而 Y2O3的含量却都小于设计值(Y2O3的设计值为 8%)?说明两种材料中的 Y2O3没有全部的固溶进 Zr O2中?另外从表2中的数据对比可以看出,2#料中的 Y2O3的含量较1#料接近设计值?这种现象说明,将热障涂层陶瓷顶层材料 Y?PSZ进行热处理可以提高 Y2O3
11、在 Zr O2中的固溶程度?表 2?热障涂层陶瓷顶层材料 Y?PSZ的成分含量Table 2?The content of component of Y?PSZ ceram ic forTBCs名?称Zr O2(质量分数)Y2O3(质量分数)1#料(未进行热处理)94?21%5?79%2#料(进行热处理)92?06%7?94%2?2?微观形貌分析图 1为热障涂层陶瓷顶层材料 1#料和 2#料的断面形貌?由热障涂层陶瓷顶层材料 Y-PSZ的断面形貌可以得到如下结论:(1)不论是热障涂层陶瓷顶层材料 1#料还是 2#料均存在很多的孔隙?与热障涂层陶瓷顶层材料 1#料相比,2#料的孔隙分布较为均匀、
12、孔隙大小相差不大?陶瓷作为热障涂层顶层材料时,孔隙等晶体缺陷的存在对热障涂层外部热流向其内部传递将产生影响,使陶瓷材料中粒子之间的相互作用增加,从而增强它们的散射和反射,进而大大降低外部热流的传输速度,降低热障涂层陶瓷顶层材料的热导率 12;(2)热障涂层陶瓷顶层材料 1#料在高温煅烧后,存在着部分烧结现象,而 2#料却无此现象发生,说明热处理提高了热障涂层材料 Y?PSZ的抗烧结能力;(3)与热障涂层陶瓷顶层材料 1#料相比,2#料中的颗粒大小较为均匀,说明热处理提高了热障涂层材料 Y?PSZ的均匀度?2?3?相成分分析热障涂层陶瓷顶层材料 Y?PSZ的 XRD分别如图 2所示?从图 2中可
13、以看出:(1)热障涂层陶瓷顶层材料 Y?PSZ的 X射线衍射图谱与标准的图谱比较,发现不论是热障涂层陶瓷顶导材料 1#料还是 2#料的三强峰均与四方相图谱相符合,同时从图谱中还可以看出热障涂层陶瓷顶层材料 1#料和 2#料中都含有微量的单斜相?由此可以得出热障涂层陶瓷顶层材料 Y?PSZ经高温烧结后,得到了以四方相为331内 蒙 古 科 技 大 学 学 报2010年 12月?第 29卷 第 4期主相,同时含有微量单斜相的热障涂层陶瓷顶层材料;(2)热处理对热障涂层陶瓷顶层材料 Y?PSZ的相成分的影响并不明显?图 1?热障涂层陶瓷顶层材料 Y?PSZ的断面形貌:(1)1#料(a):3 000!
14、;(b):5 000!);(2)2#料(c):3 000!;(d):5 000!)Fig.1?Fractured cross?section m icrographs of Y?PSZ ceram ic for TBCswith differentm agnifications图 2?热障涂层陶瓷顶层材料 Y?PSZ的 XRD图谱(a):1#料;(b):2#料)Fig.2?XRD patterns of Y?PSZ ceram ic for TBCs3?结论(1)利用固相合成法成功地制备了热障涂层陶瓷材料 Y?PSZ,其相成分以四方相为主,同时含有微量的单斜相?(2)热处理提高了热障涂层材料
15、Y?PSZ 中Y2O3在 ZrO2中的固溶程度?(3)热处理使热障涂层材料 Y?PSZ的孔隙分布较为均匀,提高了 Y?PSZ的抗烧结能力?(4)热处理对热障涂层陶瓷顶层材料 Y?PSZ的相成分的影响并不显著?参考文献:1?TassiniN,Lambrinou K,M ircea I,et a.l Study of the a m?plitude?dependent mechanical behaviour of yttriasta?332于海涛等:热处理对热障涂层材料 Y2O3部分稳定 Zr O2性能的影响bilised zirconia ther mal barrier coatings J
16、.Journalof theEuropean Cera m ic Society,2007,27:1487?1491.2?Busso E P,W right L,EvansH E,et a.l A physics?basedlife predictionmethodology for ther malbarrier coating sys?tems J.ActaM aterialia,2007,55:1491?1503.3?Strangman T,Raybould D,Ja meelA,et a.l Da mage mech?anisms,life prediction,and develop
17、ment ofEB?PVD ther?mal barrier coatings for turbine airfoils J.Surface andCoatingsTechnology,2007,202:658?664.4?W u R T,Ka wagishiK,Harada H,et a.l The retention ofther mal barrier coating syste ms on single?crystal superal?loys:Effects of substrate composition J.ActaM aterialia,2008,56:3622?3629.5?
18、宋希文,于海涛,牛晓庆,等?掺杂稀土 Zr O2基热障涂层陶瓷材料研究进 展 J.内蒙古科 技大学学报,2009,28(3):287?292.6?Clarke D R.M aterials selection guidelines for low ther malconductivity ther mal barrier coatings J.Surface andCoatingsTechnology,2003,163?164:67?74.7?Cao X Q,Vassenb R,Stoeverb D.Cera m ic materials forther mal barrier coating
19、s J.Journal of the European Ce?ra m ic Society,2004,24:1?10.8?曹学强?热障涂层 材料 M.北京:科学 出版社,2007?24.9?Raghavan S,W ang H,PorterW D,et a.l Ther mal proper?ties of zirconia co?doped with trivalent and pentavalentOxides J.A ctaM aterialia,2001,49:169?179.10?Raghavan S,M ayo JM.The hot corrosion resistance of
20、20 mo%lYTaO4stabilized tetragonal zirconia and 14mo%lTa2O5stabilized orthorhombic zirconia for ther malbarrier coating applications J.Surface and CoatingsTechnology,2002,160:187?196.11?Xu ZH H,He LM,M uR D,et a.l Double?cera m ic?alyerther malbarrier coatings of La2Zr2O7/Y-PSZ depositedby electron b
21、eamphysicalvapor deposition J.JournalofA lloys and Compounds,2009,473:509?515.12?牟仁德?热障涂层隔热性能研究 D.北京:北京航空材料研究院,2007.(上接第 329页)3?结论(1)NaVO3浓度对钒酸盐转化膜的耐蚀性有很大影响,NaVO3浓度为 0?1M 时,转化膜具有较好的阻抗值,其值为 71 700?c m2?(2)浸泡时间对铝合金 2024表面钒酸盐转化膜成膜过程有很大影响,在 NaVO3浓度为 0?1M的转化液中,浸泡 3 m in所形成的膜层比较均匀致密,具有较好的防腐蚀能力,该转化膜的成分主要由A
22、,l V,Mg组成?参考文献:1?Guillaum in V,M anko wskiG.Localized corrosion of 2024T351 alum inum alloy in chloride media J.Corros Sc,i1999,(41):421?438.2?Blanc Ch,M ankowskiG.Pit propagation rate on the 2024and 6056 alum inum alloys J.Corros Sc,i 1998,(40):411?429.3?Blanc Ch,Lavelle B,M ankowski G.The role of
23、precipi?tates enriched with copper on the susceptibility to pittingcorrosion of the 2024 alum inum alloy J.Corros Sc,i1997,(39):495?510.4?Yue T M,Wu Y X,M an C.On the role of CuA l2precipi?tates in pitting corrosion of alum inum 2009/SiCwmetalmatrix co mposite J.JM ater SciLett,2000,(19):1003?1006.5?M ansfelf F,W ang Y.Corrosion protection of high copperalum inum alloys by surface modification J.Brit CorrosJ,1994,(29):194?200.6?贺春林,于文馨,王建明,等?2024铝合金阳极氧化膜的结构和耐蚀性能 J.材料保护,2002,39(2):45?48.7?龚伟慧,陈东初,李文芳,等?环境友好型铝合金化学转化表面处理技术的发展概况 J.材料研究与应用,2009,3(3):1?4.333
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