热处理对热障涂层材料Y_2O_3部分稳定ZrO_2性能的影响.pdf
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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、
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