新型热障涂层陶瓷层材料

热障涂层材料，尤其是陶瓷层材料需要满足以下几点性能要求：高熔点、低热导率、与基体匹配的热膨胀系数、较高的断裂韧性、高应变容限、高温下无相变、良好的耐腐蚀性能以及较低的烧结率。目前，仍没有一种单一体系的陶瓷材料能完美满足上述所有要求，随着先进航空发动机技术的发展，开发新一代热障涂层材料的需求越来越迫切，下面介绍了近年来已被证实具有广阔应用前景的几种陶瓷层材料体系： 

1.1稀土锆酸盐

稀土锆酸盐（Ln₂Zr₂O₇，Ln为稀土元素）按晶体结构分类有烧绿石和缺陷萤石两种结构，在1200℃以上的高温条件下表现出良好的稳定性与较低的热导率，是一种颇具应用潜力的热障涂层材料。具有烧绿石结构的稀土锆酸盐典型代表有La₂Zr₂O₇（LZ）和Gd₂Zr₂O₇（GZO），它们在至少1500℃的高温下仍然保持相稳定[问，且具有较低的热导率与烧结速率。具有缺陷萤石结构的稀土锆酸盐典型代表如Dy2Zr2O7也是一种很有应用前景的TBC材料，与YSZ相比具有更低的热导率与更高的热膨胀系数。

1.2稀土六铝酸盐

稀土六铝酸盐具有低热导率、合适的热膨胀系数等特点，尤其在1100℃以上时，与YSZ相比不仅热导率更低，抗烧结性能也更好，是一类新兴的热障涂层材料。其中研究最多的是具有磁铅石结构的层状镁基六铝酸镧（LaMgAl₁₁O₁₉，简称LMA），它具有与氧化铝相似的热膨胀行为，因此能与热生长氧化层（TGO）产生良好匹配。另一方面，LMA的层状结构使其具有较低的热导率及杨氏模量，同时还有着较长的热循环寿命。

1.3稀士元素掺杂氧化锆

稀土氧化物R₂O₃掺杂氧化锆会引入缺陷，使材料的热导率降低。根据声子散射模型分析热导率变化规律的结果表明，随着掺杂离子半径由Sc至La逐渐增大，材料热导率的减小趋势几乎呈线性。这是因为随着掺杂离子的半径与主体晶体结构的阳离子半径相差越大，声子散射效果会越强，最终导致了热导率的降低。另外，掺杂R₂O₃还可以提高涂层的抗烧结能力，随着掺杂离子半径由Er至La逐渐增大，涂层的抗烧结性能越来越好。这是因为掺杂离子的半径与主体晶体结构的阳离子半径相差越大，离子扩散系数越低，与对热导率的影响作用类似。

1.4钙钛矿

ABO3型钙钛矿结构中A位和B位的离子半径即使发生较大变化，也不会影响其晶体结构。因此，可以在保证钙钛矿基本结构不变的情况下广泛地引入各种金属离子，其中就有某些材料在热障涂层领域有着潜在的应用价值。钙钛矿结构的陶瓷材料熔点较高，且具有合适的热导率与热膨胀系数，如SrZrO₃陶瓷材料的熔点能达到2800℃，热导率为2.3/W·mk^-1，热膨胀系数为10.9/10^-6·k^-1是一类合格的热障涂层材料。但是，许多钙钛矿结构的陶瓷材料均会在1400℃左右发生明显相变，对于这一情况，可采用氧化物掺杂等方法来改善ABO₃陶瓷材料的高温稳定性。

本文由桑尧热喷涂网收集整理。本站文章未经允许不得转载；如欲转载请注明出处，北京桑尧科技开发有限公司网址：http://www.sunspraying.com/