氧化锆涂层具有低导热系数、高的热膨胀系数(1.1×10-5/K), 应用于现役航空燃气发动机的涡轮叶片上, 但随着航空燃气发动机向高流量比、高推重比、高进气口温度方向发展, 新一代航空发动机进气口温度将大大超过现役热障涂层工作温度上限1200℃ . 因此, 如何进一步提高氧化锆热障涂层的隔热性能, 降低其导热系数就一直是热障涂层领域的研究热点。
近年来, 纳米科学研究发现纳米粉体展现出如表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应等许多潜在的优良特性. 针对热障涂层来说, 人们更期望利用纳米粉体展现出的优良特性来获得导热系数更低、隔热性能更好的热障涂层. 但由于纳米粉体本身质量小、喷涂过程送粉困难, 难以获得高质量的沉积涂层而导致对纳米粉体喷涂涂层的热物理性能研究开展较少. 为此, 选用喷雾造粒技术,将纳米氧化锆粉体重新组成具有一定质量的、适合等离子喷涂的微米级造粒料, 利用等离子喷涂技术喷涂了 3mol% Y2O3 部分稳定 ZrO2 热障涂层, 利用SEM、 TEM 表征了涂层的显微结构, 并对涂层的热物理性能进行了实验研究和理论分析。
纳米粉体喷涂涂层中, 晶粒明显长大的温度约在 1100℃ 左右, 这略低于现役发动机热障涂层的工作温度 1200℃ , 且高于氧化锆 1050℃ 发生单斜相(t)向四方相(m)转变的温度. 经 1100℃ 处理后, 可得到晶粒长大相变完全的稳定结构涂层。采用大气等离子技术和纳米造粒粉体可获得具有低导热系数的氧化锆热障涂层. 利用纳米造粒粉体喷涂形成的具有大量垂直热流方向的微细裂纹和均匀小气孔分布的显微结构是涂层具有更低导热系数的主要原因. 纳米造粒料喷涂涂层在 800℃ 附近由于四方和单斜氧化锆相变而导致热物性异常变化.晶粒长大、气孔率降低可导致涂层的导热系数升高,降低涂层的隔热性能。
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