CeO2/Y2O3-ZrO2納米結(jié)構(gòu)熱障涂層的抗燒結(jié)性能研究

李任偉，黃 飛

(東北電力大學(xué) 工程訓(xùn)練教學(xué)中心，吉林 吉林 132012)

CeO2/Y2O3-ZrO2納米結(jié)構(gòu)熱障涂層的抗燒結(jié)性能研究

李任偉，黃 飛

(東北電力大學(xué) 工程訓(xùn)練教學(xué)中心，吉林 吉林 132012)

采用兩種熱障涂層材料分別是8%的Y2O3- ZrO2(YSZ)和在8%的Y2O3- ZrO2中摻雜25%的CeO2(CSZ)納米團(tuán)聚粉末，制備了兩種相同規(guī)格的壓縮塊體，并進(jìn)行1 300 ℃依次保溫1 h、2 h、3 h抗燒結(jié)試驗，使用掃描電鏡(SEM)和場發(fā)射電鏡(FESEM)觀察分析熱處理后塊體微觀組織特點(diǎn)，熱處理3 h后CSZ塊體致密度明顯高于YSZ，在第2 h和第3 h時間段CSZ的被燒結(jié)速度要明顯快于YSZ。結(jié)果表明：相同時間內(nèi)，熱處理后CSZ致密度要高于YSZ，但CSZ的抗燒結(jié)能力不如YSZ。

熱障涂層；納米團(tuán)聚粉末；熱處理；燒結(jié)程度

熱障涂層(TBCs)與激光熔覆涂層相似，是一種能夠起到隔熱作用并防止零件在高溫環(huán)境中被氧化與腐蝕的保護(hù)涂層。它的隔熱作用可降低涂層下基體金屬所承受的實際工作溫度，有效地提高零部件的使用性能和延長壽命[1-3]。近些年來微米級的YSZ熱障涂層材料已不能滿足航空發(fā)動機(jī)涂層的使用要求，納米級的YSZ成為熱障涂層領(lǐng)域的學(xué)者們的研究熱點(diǎn)之一，例如這種材料的抗熱震性能，抗高溫熔鹽腐蝕性能，抗氧化性能，涂層與粘結(jié)層之間的熱膨脹系數(shù)匹配等問題有了大量研究成果[4]。同時，S.Sodeoka[5]和周洪[6]在YSZ中添加CeO2后，發(fā)現(xiàn)涂層的耐腐蝕性能、強(qiáng)度韌性有所提高，熱導(dǎo)率被降低，涂層有更好的綜合性能，因而能顯著提高熱障涂層的使用性能并且延長了使用壽命，CeO2可以成為YSZ中的第三元改性穩(wěn)定劑[7-9]。

如何在CSZ涂層基礎(chǔ)上再次提高涂層壽命是一個研究難題。目前關(guān)于YSZ和CSZ涂層失效原因研究較多，但YSZ和CSZ兩種涂層在高溫下的由于涂層燒結(jié)導(dǎo)致的失效研究較少。所以，本文對YSZ和CSZ兩種熱障涂層材料進(jìn)行抗燒結(jié)性能分析。

1 試驗材料與方法

采用兩種粒度范圍均在50 μm左右的納米團(tuán)聚粉末8%的Y2O3-ZrO2(YSZ)和在8%的Y2O3-ZrO2中摻雜25%的CeO2(CSZ)。首先用電子顯微秤分別量取6.50 g的YSZ和CSZ粉體若干份。然后，使用壓縮機(jī)將粉體壓制成直徑20 mm的圓柱形塊體試樣，下壓力設(shè)定為35.0 kN，下壓速度設(shè)定為2 mm/min，由于兩種混合粉末密度不同，所得到的YSZ和CSZ圓柱型塊體試樣尺寸厚度不相同，分別為為7.6 mm和7.5 mm。

將若干壓縮后的YSZ和CSZ塊體放入預(yù)設(shè)溫度1 300 ℃的熱處理爐中，進(jìn)行1 h、2 h、3 h的保溫處理，隨爐冷卻后取出試樣，將塊體機(jī)械粉碎，通過FESEM進(jìn)行觀察分析相同保溫時間內(nèi)YSZ和CSZ塊體內(nèi)部晶粒大小情況，本實驗所選溫度參照航空發(fā)動機(jī)熱障涂層工作溫度。

2 實驗結(jié)果及討論

2.1 塊體熱處理3h 致密度的變化

在1 300 ℃熱處理3 h后，YSZ與CSZ塊體試樣體積明顯縮小，圖1為熱處理保溫3 h后YSZ和CSZ塊體對比圖片，從圖片中清晰看出保溫處理前后CSZ體積變化明顯大于YSZ。

圖1 陶瓷塊體燒結(jié)前后宏觀體積對比

在1 300 ℃熱處理3 h后，將熱處理3 h前后YSZ和CSZ體積與密度變化數(shù)據(jù)見列表1所示，由表1可以得出CSZ與YSZ燒結(jié)前后體積分別縮小到原來的55%與65%，兩者體積明顯的縮小了。主要原因是由于塊體在燒結(jié)過程中，各個團(tuán)聚顆粒間連結(jié)到一起，形成燒結(jié)頸，塊體內(nèi)部的氣體溢出；另一方面是當(dāng)溫度超過1 170 ℃會發(fā)生m-ZrO2相→t-ZrO2相并伴隨體積收縮；同時YSZ和CSZ的密度分別提高了1.45 g/cm3和2.23 g/cm3，說明了YSZ與CSZ的致密度有了顯著的提高，CSZ致密度提高的幅度要大于YSZ，主要原因是在燒結(jié)過程中Y2O3中Y3+和CeO2中的Ce4+離子可置換ZrO2中的Zr2+形成置換固溶體，造成晶格畸變并產(chǎn)生了氧空位，從而儲存了大量的晶格畸變能，為燒結(jié)驅(qū)動力提供了能量，而且封閉于晶粒內(nèi)部的氣孔還可以通過氧空位的擴(kuò)散而消除，從而提高了材料的致密度[10]。理論意義上講，涂層的致密度高，涂層的抗腐蝕能力要強(qiáng)，此實驗可以間接說明CSZ涂層的抗腐蝕能力強(qiáng)于YSZ涂層。

表1 CSZ和YSZ熱處理后參數(shù)的變化

2.2 YSZ和CSZ不同時間下的燒結(jié)程度分析

圖2 YSZ在1 300 ℃經(jīng)不同燒結(jié)時間的FESEM形貌

將不同保溫?zé)崽幚砗笤嚇訖C(jī)械粉碎，取塊體表面部分用FESEM進(jìn)行觀察，如圖2為YSZ不同保溫時間下的形貌，圖2(a)為保溫1 h的圖像，塊體內(nèi)部顆粒開始黏結(jié)形成燒結(jié)頸，存在許多較大的空隙。圖2(b)是保溫2 h的圖像，與圖2(a)比較空隙略微減小，粉體顆粒間形成了更多的燒結(jié)頸，顆粒之間排列的比較致密。圖2(c)是經(jīng)過1 300 ℃×3 h后塊體內(nèi)部形貌，與圖2(b)比較，無明顯的變化。所以從三幅圖可以看出YSZ塊體燒結(jié)程度有所增加，但是不是很明顯。

圖3是CSZ不同時間下熱處理后形貌，從圖3(a)保溫1 h圖片可以看出，顆粒之間已經(jīng)出現(xiàn)黏結(jié)頸，呈現(xiàn)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，顆粒大小及孔隙排布比較均勻。在圖3(b)保溫2 h可以清晰看出，顆粒間連結(jié)的更加緊密，孔隙數(shù)量在減少、變小，可見燒結(jié)進(jìn)程比較明顯。圖3(c)為保溫3 h后的像，中間大部分顆粒已經(jīng)完全連結(jié)在了一起，形成了蜂窩狀結(jié)構(gòu)，孔隙基本消失。隨著熱處理時間的延長，孔隙逐漸減少變小，最后小顆?；颈粺Y(jié)團(tuán)聚到無孔隙的結(jié)構(gòu)。通過三圖可以看出CSZ隨時間延長，燒結(jié)程度增加明顯。

比較YSZ與CSZ燒結(jié)過程，本實驗的每個相同時間段圖片對比，保溫1 h的兩幅圖片可以看出，兩者都出現(xiàn)燒結(jié)頸，存在大量孔隙。兩者燒結(jié)進(jìn)度無明顯區(qū)別，然而CSZ在第二小時時顆粒連結(jié)的更加緊密，孔隙明顯縮小的趨勢。當(dāng)保溫時間達(dá)到3 h時，中間部分顆粒連結(jié)成無孔隙的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，而YSZ在第二、三小時才開始有了孔隙變小的趨勢。從YSZ與CSZ圖像對比，可以得出CSZ的抗燒結(jié)能力不如YSZ，熱障涂層在高溫下越早出現(xiàn)燒結(jié)現(xiàn)象越容易失效。通常素坯中的孔隙越多，燒結(jié)密度越低，所以相同時間下CSZ燒結(jié)后的致密度要高于YSZ。

圖3 YSZ在1 300 ℃經(jīng)不同燒結(jié)時間的FESEM形貌

3 結(jié) 論

(1)1 300 ℃熱處理3 h后CSZ塊體致密度高于YSZ；

(2)在1 300 ℃不同保溫時間下，CSZ塊體的燒結(jié)速率明顯要快于YSZ，CSZ的抗燒結(jié)能力不如YSZ；

前期相關(guān)實驗證明，CSZ涂層壽命強(qiáng)于YSZ。但本文實驗證明CSZ抗燒結(jié)性能不如YSZ，那么如何提高CSZ的抗燒結(jié)性能，提高CSZ涂層壽命是我們今后研究的一個主要目標(biāo)。

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Resistance Performance to Sintering for Y2O3-ZrO2with Nano CeO2

LI Ren-wei，HUANG Fei

(The Engineering Training Teaching Center，Northeast Dianli University，Jilin Jilin 132012)

In this paper，the materials of thermal barrier coating (TBC) are used，which are Nano agglomeragated powder ZrO2-8wt.%Y2O3(YSZ) and ZrO2-8wt.%Y2O3with 25% Nano CeO2(CSZ).It makes the same specification of compression blocks to sintering experiment control time from 1 h to 3 h at 1300 ℃.Through applying SEM and FESEM technologies，the microstructures of sintering blocks are analyzed.After 3 hours’ heat treatment，the density of YSZ block is higher than CSZ’s obviously；YSZ’s sintering degree is better than CSZ’s in 2 h and 3 h period .The result shows that after heat treatment，CSZ’s density is higher than YSZ’s at the same time，but the resistance performance to sintering for YSZ is better than CSZ’s.

Thermal barrier coating；Nano agglomerated powders；Heat treatment；Sintering process

2016-04-12

李任偉(1986-)，男，吉林省吉林市人，東北電力大學(xué)工程訓(xùn)練教學(xué)中心助教，碩士，主要研究方向：表面處理技術(shù)、熱障涂層材料的研究.

1005-2992(2016)06-0060-04

TG174.44

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