GdPO4热障涂层的热循环性能和CMAS腐蚀行为的研究

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1、GdPO4热障涂层的热循环性能和CMAS腐蚀行为的研究ThermalcyclingperformanceandCMAScorrosionbehaviorofGdPO4thermalbarriercoatings工程领域：材料工程作者姓名：李明珠指导教师：郭磊讲师企业导师：程玉贤高工天津大学材料科学与工程学院二零一七年十二月摘要热障涂层（TBCs）是先进航空发动机涡轮叶片的核心关键技术之一。目前最广泛使用的7~8wt.%Y2O3稳定的ZrO2（YSZ）热障涂层在高于1200℃时会出现相变、烧结以及严重CMAS（CaO-MgO-AlO1.

2、5-SiO2）腐蚀问题，难以满足新一代高推着比航空发动机的发展需求。本文开展新一代超高温GdPO4热障涂层研究。研究了GdPO4材料的相组成、热导率、力学性能，采用等离子喷涂制备了GdPO4/YSZ双陶瓷层热障涂层，研究了涂层的微结构、高温烧结性能、热循环性能以及CMAS腐蚀行为，为新一代超高温热障涂层的研制提供理论依据。采用化学共沉淀-煅烧法制备了GdPO4陶瓷粉末并压制块材，研究了GdPO4的相组成、断裂韧性和热导率。研究结果表明，GdPO4粉末和块材均为单斜晶体结构，GdPO4具有比YSZ低得多的热导率（~0.98W/m·K，1

3、000℃），断裂韧性为1.16±0.2MPa·m-1/2。设计了GdPO4/YSZ双陶瓷层热障涂层结构，采用大气等离子喷涂制备了GdPO4/YSZ涂层，研究了涂层的高温烧结性能和热循环性能。GdPO4具有纳米结构，1400℃热处理50h无相变，纳米颗粒有一定程度长大。在1050℃保温5min、水冷至室温的测试条件下，经过70次热循环GdPO4/YSZ热障涂层发生剥落，失效发生在GdPO4涂层内部，可能原因是GdPO4的韧性较低。研究了GdPO4涂层的CMAS的腐蚀行为。在1250℃的温度下，GdPO4与熔融CMAS与GdPO4涂层反应

4、，形成成分不同的两层致密结晶层，上层主要由针状磷灰石相构成，下层由磷灰石、钙长石相、尖晶石三相组成。CMAS腐蚀超过4h后，反应层的成分、厚度与腐蚀时间关系不大，表明该反应层可有效地阻止CMAS进一步的渗透。关键词：热障涂层，磷酸钆，大气等离子喷涂，热导率，热循环，CMAS（CaO-MgO-Al2O3-SiO2）腐蚀IABSTRACTThermalbarriercoatings(TBCs)areoneofkeytechniquesforadvancedturbineengineblades.TheextensivelyusedTBCs

5、aremadeof7~8wt.%yttriapartiallystabilizedzirconia(YSZ).However,whentheservicetemperatureexceeds1200°C,itsuffersfatalfailuresresultedfromphasetransformation,acceleratedsinteringandseriouscorrosionfromcalcium-magnesium-alumina-silicate(CMAS)attack.Therefore,YSZTBCscannotm

6、eettherequirementsofincreasingthrust-weightratioofthenew-generationaeroengine.ThisstudyaimstoexploreanovelGdPO4TBCforultrahightemperatureapplications.Thephasecomposition,thermalconductivityandmechanicalpropertiesofGdPO4wereinvestigated.GdPO4/YSZdouble-ceramic-layer(DCL)

7、TBCswereproducedbyatmosphereplasmaspraying(APS).Themicrostructure,sinteringbehavior,thermalcyclingdurationandCMAScorrosionbehavioroftheTBCswerestudied.Theresultscouldprovidetheoreticalfoundationfordevelopingnew-generationTBCsforultrahightemperatureapplications.GdPO4powd

8、ersweresynthesizedthroughachemicalcoprecipitationandcalcinationmethod,followedbycoldpressingtoobtainbulkmateri