CMAS對(duì)熱障涂層影響的研究.pdf

1、熱障涂層(thermalbarriercoatings，TBCs)具有隔熱性能優(yōu)異、抗腐蝕等特點(diǎn)，已在飛機(jī)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等高溫工作條件的部件中獲得廣泛應(yīng)用，然而在工作時(shí)常常受到玻璃態(tài)物質(zhì)（CaO-MgO-Al2O3-SiO2，CMAS）的影響。本文主要研究了高溫下CMAS導(dǎo)致氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯(YSZ)熱障涂層開裂以及失效的機(jī)制，重點(diǎn)研究了CMAS與YSZ反應(yīng)作用機(jī)理。
　　為了更好地描述CMAS對(duì)TBCs應(yīng)力場的影響，本文

2、采用ANSYS有限元的方法，對(duì)應(yīng)力場及位移場進(jìn)行模擬分析，模擬結(jié)果表明，CMAS在高溫下由固態(tài)變?yōu)槿廴跔顟B(tài)，其進(jìn)入TBCs的孔隙中，當(dāng)溫度驟降后，CMAS凝固到縫隙中，由于熱膨脹系數(shù)的不同，導(dǎo)致涂層中存在巨大的拉應(yīng)力，當(dāng)裂紋為非均勻分布時(shí)其應(yīng)力場分布不均勻，同時(shí)產(chǎn)生較大的剪切應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到材料屈服極限時(shí)將產(chǎn)生裂紋，同時(shí)將所得結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果相比較，結(jié)果也顯示二者結(jié)果相似。
　　針對(duì)CMAS侵蝕導(dǎo)致YSZ熱障涂層失效的研究，分別采用

3、涂敷和混合燒結(jié)兩種方式展現(xiàn)CMAS與YSZ的反應(yīng)作用，涂敷方式進(jìn)行了YSZ基體材料的不同、基體燒結(jié)溫度的不同、CMAS成分的不同和整體燒結(jié)溫度的不同四個(gè)方面的研究，混合燒結(jié)方式進(jìn)行了燒結(jié)溫度不同和CMAS所占比例不同兩個(gè)方面的研究，最終采用掃面電鏡、能譜儀和X射線衍射等技術(shù)進(jìn)行分析測(cè)試，從而對(duì)CMAS致使YSZ開裂剝落的作用關(guān)系進(jìn)行了研究。
　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，CMAS高溫下融化進(jìn)入YSZ晶粒間的空隙中，由于熱膨脹系數(shù)、比熱容、泊松

4、比等物理參數(shù)的差異產(chǎn)生熱應(yīng)力，在冷卻后會(huì)引起YSZ開裂。YSZ不僅會(huì)由CMAS的熱機(jī)械作用發(fā)生斷裂，而且兩者會(huì)在YSZ表面形成一個(gè)化學(xué)反應(yīng)區(qū)，裂紋也主要產(chǎn)生在這個(gè)區(qū)域。制備工藝相同，YSZ中Y元素的含量不同時(shí)，在CMAS的作用下都會(huì)造成YSZ基體中出現(xiàn)貧Y區(qū)域，此區(qū)域會(huì)加速YSZ的劣化，產(chǎn)生相變，相變導(dǎo)致體積的變化并引起剪切應(yīng)力增大，導(dǎo)致YSZ開裂;1500℃燒結(jié)的基體要比1300℃燒結(jié)的YSZ致密，CMAS進(jìn)入YSZ量就少，對(duì)于YSZ

5、的損傷較小;實(shí)際沙塵要比配制CMAS對(duì)YSZ的侵蝕更為明顯，由于兩者的主要成分相似，所以發(fā)生的反應(yīng)作用機(jī)制也相似;CMAS與YSZ發(fā)生相互作用，1350℃要比1240℃的反應(yīng)劇烈，溫度越高，發(fā)生相變以及產(chǎn)生熱化學(xué)作用的可能性就越大，CMAS對(duì)YSZ的侵蝕也越嚴(yán)重。CMAS在高溫下會(huì)與YSZ產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，主要是與CMAS中Si和Ca兩元素的擴(kuò)散有關(guān)，與YSZ中的ZrO2生成Ca-O-Zr化合物以及Si-O-Zr化合物，會(huì)造成元素?cái)U(kuò)散，形成