真空 ›› 2025, Vol. 62 ›› Issue (1): 26-36.doi: 10.13385/j.cnki.vacuum.2025.01.05
李婷玥, 王鑫, 甄真, 李娜, 许振华
LI Tingyue, WANG Xin, ZHEN Zhen, LI Na, XU Zhenhua
摘要: (Yb0.1Gd0.9)2Zr2O7(YbGdZrO)稀土复合氧化物是一类适用于1 200 ℃以上应用的新型热障涂层(TBCs)材料。采用电子束物理气相沉积(EB-PVD)工艺在NiCoCrAlYHf及(Ni,Pt)Al粘结层表面分别沉积YbGdZrO陶瓷层,制备出两种不同粘结层体系的TBCs试样,并对涂层的显微形貌、化学成分、相结构、残余应力和热冲击行为进行了表征分析。结果表明,NiCoCrAlYHf粘结层表面高低起伏,所沉积的陶瓷层呈“菜花状”织构,紊乱度较高;(Ni, Pt)Al粘结层表面呈平缓的“背脊”形貌,所沉积陶瓷层的柱状晶排列紧密且平整度趋于一致;两种涂层的陶瓷层中Gd和Zr元素含量均与靶材成分较为接近,但Yb元素受沉积温度影响相差较大;随热冲击次数增加,NiCoCrAlYHf/YbGdZrO涂层表面显微裂纹萌生并扩展,且出现点蚀坑,(Ni, Pt)Al/YbGdZrO涂层仍较为平整,无显微裂纹和烧结致密化现象;热冲击1 000次后,两种涂层中均出现热生长氧化物(TGO)层,继续热冲击至2 500次时,(Ni,Pt)Al粘结层体系的TGO层平均厚度增量仅为1.08μm;NiCoCrAlYHf/YbGdZrO涂层的TGO层残余应力均比同等条件下(Ni,Pt)Al/YbGdZrO的小;两种TBCs的陶瓷层组成元素均已内扩散至粘结层,并少量存留在TGO层内,(Ni,Pt)Al/YbGdZrO涂层所形成的Al2O3膜对Gd元素表现出更强的阻扩散作用。
中图分类号: TB321
[1] EVANS A G, MUMM D R, HUTCHINSON J W, et al.Mechanisms controlling the durability of thermal barrier coatings[J]. Progress in Materials Science, 2001, 46(5):505-553. [2] 郭洪波, 宫声凯, 徐惠彬. 先进航空发动机热障涂层技术研究进展[J]. 中国材料进展, 2009, 28(9): 18-26. [3] 孙健, 刘书彬, 李伟, 等. 电子束物理气相沉积制备热障涂层研究进展[J]. 装备环境工程, 2019, 16(1): 1-6. [4] 常振东, 张婧, 牟仁德, 等. NiCrAlYSi粘结层合金相结构与性能研究[J]. 真空, 2022, 59(4): 41-47. [5] 赵云松, 张迈, 戴建伟, 等. 航空发动机涡轮叶片热障涂层研究进展[J]. 材料导报, 2023, 37(6): 73-79. [6] KROGSTAD J A, KRAMER S, LIPKIN D M, et al.Phase stability of t'-zirconia-based thermal barrier coatings: mechanistic insights[J]. Journal of the American Ceramic Society, 2011, 94(s1): 168-177. [7] 杜博宇, 杨加胜, 陶诗倩, 等. 氧化钇部分稳定氧化锆陶瓷涂层的高温耐久性辨析[J]. 航空制造技术,2023, 66(17): 89-95. [8] 张丹华, 王璐, 郭洪波, 等. 多元稀土氧化物掺杂二氧化锆基陶瓷材料的热物理性能[J]. 复合材料学报,2011, 28(2): 179-184. [9] CAO X Q.Application of rare earths in thermal barrier coating materials[J]. Journal of Materials Science & Technology, 2007, 23: 15-35. [10] CAO X Q.Development on new thermal barrier coating materials[J]. Journal of the Chinese Ceramic Society, 2020, 48(10): 1622-1635. [11] 赵泓旭, 邓春明, 付朗, 等. 用于热障涂层的锆酸钆材料研究进展[J]. 表面技术, 2022, 51(2): 116-128. [12] 刘燕祎, 徐强, 潘伟, 等. 固相反应Gd2Zr2O7陶瓷的形成机理研究[J]. 稀有金属材料与工程, 2005, 34(增刊1): 584-586. [13] SUN L L, GUO H B, PENG H, et al.Phase stability and thermal conductivity of ytterbia and yttria co-doped zirconia[J]. Progress in Natural Science: Materials International, 2013, 23(4): 440-445. [14] ZHANG Y L, GUO L, YANG Y P, et al.Influence of Gd2O3 and Yb2O3 Co-doping on phase stability, thermo-physical properties and sintering of 8YSZ[J]. Chinese Journal of Aeronautics, 2012, 25(6): 948-953. [15] 付朗, 毛杰, 邓子谦, 等. PS-PVD制备锆酸钆热障涂层及其性能研究[J]. 表面技术, 2021, 50(10): 293-300. [16] GUO L, GUO H, PENG H, et al.Thermophysical properties of Yb2O3 doped Gd2Zr2O7 and thermal cycling durability of (Gd0.9Yb0.1)2Zr2O7/YSZ thermal barrier coatings[J]. Journal of the European Ceramic Society, 2014, 34(5): 1255-1263. [17] 宋鹏, 陆建生, 黄太红, 等.热障涂层中NiPtAl与MCrAlY粘结层表面氧化铝的生长差异研究[J]. 稀有金属材料与工程, 2014, 43(3): 601-604. [18] WANG X, ZHEN Z, HUANG G H, et al.Thermal cycling of EB-PVD TBCs based on YSZ ceramic coat and diffusion aluminide bond coat[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2021, 873: 159720. [19] 戴建伟, 牟仁德, 何利民, 等. 热循环条件下NiCrAlYSi/YSZ热障涂层层间损伤及元素扩散行为研究[J]. 真空, 2021, 58(3): 23-29. [20] ZHEN Z, WANG X, SHEN Z Y, et al.Phase stability, thermo-physical property and thermal cycling durability of Yb2O3 doped Gd2Zr2O7 novel thermal barrier coatings[J]. Ceramics International, 2022, 48(2): 2585-2594. [21] 白明远, 王鑫, 甄真, 等. 稀土锆酸盐热障涂层的相稳定性和界面结合性能研究[J]. 真空, 2021, 58(4): 12-20. [22] 曹学强. 热障涂层材料[M]. 北京: 科学出版社, 2007. [23] LIU Y Z, ZHEN Z, WANG X, et al.Thermo-physical properties, morphology and thermal shock behavior of EB-PVD thermal barrier coating with DLC YbGdZrO/YSZ system[J]. Materials Today Communications, 2023, 35: 106265. [24] JUDE S A A, WINOWLIN JAPPES J T, ADAMKHAN M. Thermal barrier coatings for high-temperature application on superalloy substrates: a review[J]. Materials Today Proceedings, 2022, 60: 1670-1675. [25] BI X F, XU H B, GONG S K.Investigation of the failure mechanism of thermal barrier coatings prepared by electron beam physical vapor deposition[J]. Surface & Coatings Technology, 2000, 130(1): 122-127. [26] HUANG Y, PENG X, CHEN X Q.The mechanism of θ to [27] YU C T, LIU H, ULLAH A, et al.High-temperature performance of (Ni,Pt)Al coatings on second-generation Ni-base single-crystal superalloy at 1100 ℃: effect of excess S impurities[J]. Corrosion Science, 2019, 159:108115. [28] 郭磊, 高远, 叶福兴, 等. 航空发动机热障涂层的CMAS腐蚀行为与防护方法[J]. 金属学报, 2021, 57(9): 1184-1198. [29] SADRI E, ASHRAFIZADEH F, ESLAMI A.Thermal shock performance and microstructure of advanced multilayer thermal barrier coatings with Gd2Zr2O7 topcoat[J]. Surface & Coatings Technology, 2022, 448: 128892. |
[1] | 李婷玥, 王鑫, 甄真, 李娜, 许振华. Yb2O3改性Gd2Zr2O7热障涂层的显微组织和热循环性能研究*[J]. 真空, 2024, 61(5): 21-29. |
[2] | 黄光宏, 甄真, 王鑫, 牟仁德, 何利民, 许振华. 多元稀土掺杂YSZ热障涂层的热物理和热循环性能研究*[J]. 真空, 2024, 61(2): 1-9. |
[3] | 张彬, 蔡妍, 张涛, 常振东, 曾令玉, 牟仁德. 沉积入射角度对热障涂层形貌和性能的影响*[J]. 真空, 2023, 60(3): 5-11. |
[4] | 邓仲华, 常振东, 徐雷, 胡江玮, 蔡妍, 牟仁德. 物理气相沉积热障涂层批量生产用球坑仪快速测厚法研究*[J]. 真空, 2022, 59(6): 73-77. |
[5] | 王立哲, 蔡妍, 张儒静, 何利民, 牟仁德. 单晶高温合金CVD铝化物涂层对热障涂层高温防护性能的影响*[J]. 真空, 2022, 59(4): 56-63. |
[6] | 白明远, 王鑫, 甄真, 牟仁德, 何利民, 许振华. 稀土锆酸盐热障涂层的相稳定性和界面结合性能研究*[J]. 真空, 2021, 58(4): 12-20. |
[7] | 戴建伟, 牟仁德, 何利民, 杨文慧, 刘德林, 许振华. 热循环条件下NiCrAlYSi/YSZ热障涂层层间损伤及元素扩散行为研究[J]. 真空, 2021, 58(3): 23-29. |
[8] | 刘艳梅, 苗玉华, 潘新, 刘标, 王存山, 林国强. 激光熔覆镍包石墨和石墨烯复合涂层组织和性能分析*[J]. 真空, 2020, 57(4): 85-88. |
[9] | 李国浩, 巴德纯, 王栋, 陈红斌, 张洪琦, 杜广煜. EB-PVD制备YSZ涂层的热震性研究*[J]. 真空, 2020, 57(3): 1-4. |
[10] | 常振东, 牟仁德, 何利民, 黄光宏, 李建平. EB-PVD 制备热障涂层的反射光谱特性研究[J]. 真空, 2018, 55(5): 46-50. |
|