热障涂层用La_2Zr_2O_7粉末研究进展
基于热障涂层的La_(2)Zr_(2)O_(7)材料改性研究进展
基于热障涂层的La_(2)Zr_(2)O_(7)材料改性研究进展张晓东;王昊;梁逸帆;宋艺;王铀【期刊名称】《材料保护》【年(卷),期】2024(57)3【摘要】随着航空发动机不断向高推重比、高性能方向发展,传统、单一的热障涂层(Thermal barrier coating,TBC)已经不能满足热端部件严苛的服役要求。
锆酸镧(La_(2)Zr_(2)O_(7))具有熔点高、高温下结构稳定、低热导率等优点,具有极好的隔热性能,有望成为新一代热障涂层候选材料,但在实际应用中仍存在两大关键问题,即热膨胀系数低和断裂韧性差。
因此,La_(2)Zr_(2)O_(7)材料在服役过程中会因热失配而造成局部热应力集中,导致涂层过早剥落失效,严重影响涂层的服役寿命。
国内外研究表明,对La_(2)Zr_(2)O_(7)材料进行改性可以有效解决上述问题。
为此,系统分析了关于La_(2)Zr_(2)O_(7)材料改性的研究工作,将La_(2)Zr_(2)O_(7)材料改性总结为4类:第二相复合、稀土掺杂、纳米化和高熵化。
重点介绍了4种不同改性方式对La_(2)Zr_(2)O_(7)材料热导率、热膨胀系数的影响及增韧机理,并对La_(2)Zr_(2)O_(7)材料改性研究工作进行总结和展望,以为La_(2)Zr_(2)O_(7)材料在热障涂层领域的应用提供理论支撑。
【总页数】14页(P50-62)【作者】张晓东;王昊;梁逸帆;宋艺;王铀【作者单位】哈尔滨工业大学材料科学与工程学院【正文语种】中文【中图分类】TG174【相关文献】1.Sm_(2)Zr_(2)O_(7)基热障涂层材料研究现状2.RE_(2)Zr_(2)O_(7)-RETaO_(4)体系中RE_(50)Ta_(x)Zr_(50-x)O_(175+0.5x)热障涂层氧化物的抗CMAS腐蚀特征_(2)Zr_(2)O_(7)热障涂层中Y_(2)O_(3):Eu^(3+)应力检测单元的高温稳定性及响应机制_(2)Zr_(2)O_(7)-8YSZ热障涂层活塞温度场分析5.纳米热障涂层材料Ln_(2)(Zr_(0.7)Ce_(0.3))_(2)O_(7)(Ln=La,Nd,Sm,Gd)的热物性能因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
航空发动机涡轮叶片热障涂层研究现状
第52卷第11期表面技术2023年11月SURFACE TECHNOLOGY·139·航空发动机涡轮叶片热障涂层研究现状贾宜委，王鹤峰*，王宇迪，赵帅，昂康（太原理工大学 机械与运载工程学院，太原 030024）摘要：热障涂层是一种可以有效保障航空发动机涡轮叶片正常工作，同时显著提高其工作效率和服役时间的表面防护技术。
热障涂层的性能在很大程度上影响叶片的承温和抗腐蚀能力，进而间接影响航空发动机的服役性能。
涂层性能主要受其结构和材料2个方面的影响。
介绍了涂层结构的优缺点和研究进展，当前常见的结构形式有双层结构、多层结构和梯度结构；介绍了粘结层材料的研究进展；对陶瓷层材料的研究进展进行了详述，如YSZ的掺杂改性、A2B2O7型化合物、钙钛矿结构材料以及近年来兴起的几种高熵陶瓷材料，其中高熵陶瓷材料包括：高熵稀土钽酸盐、铝酸盐、锆/铪酸盐、磷酸盐、硅酸盐以及高熵稀土氧化物，分别从热导率、热膨胀系数、断裂韧性、热循环寿命和抗腐蚀能力等方面对其进行介绍；概述了热障涂层常见的几种失效形式如：TGO失效、CMAS腐蚀以及高温烧结，并且对其发生机理进行简要的介绍；展望了热障涂层未来的发展趋势和方向。
关键词：航空发动机；热障涂层；涂层结构；涂层材料；涂层失效形式中图分类号：TG174 文献标识码：A 文章编号：1001-3660(2023)11-0139-16DOI：10.16490/ki.issn.1001-3660.2023.11.011Research Status on Thermal Barrier Coating ofAircraft Engine Turbine BladeJIA Yi-wei, WANG He-feng*, WANG Yu-di, ZHAO Shuai, ANG Kang(College of Mechanical and vehicle Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China)ABSTRACT: With the continuous development of the aviation industry, people are putting forward higher requirements for the performance of aircraft engines. Thermal barrier coating is a surface protection technology and depositing it on the engine turbine blade surface can significantly isolate high temperature and reduce thermal shock and thermal corrosion impact, to ensure the normal operation of aircraft engine turbine blade in harsh and complex environment, and can also significantly improve engine efficiency and service time. The performance of the thermal barrier coating largely affects the bearing and corrosion resistance of the blade, which in turn has an impact on the service capabilities of the aircraft engine. The performance of the coatings is mainly affected by their structure and material system. Firstly, several structural systems of thermal barrier coatings are briefly described in terms of their advantages, disadvantages and research advances. Currently common structural收稿日期：2022-08-13；修订日期：2023-03-01Received：2022-08-13；Revised：2023-03-01基金项目：山西省回国留学人员科研项目“动态压剪条件下南极固定冰屈服行为的研究”（2020-030）；中国—白俄罗斯电磁环境效应“一带一路”联合实验室（ZBKF2022031101）Fund：Research Project of Returned Overseas Students in Shanxi Province, "Study of Antarctic Fixed Ice Yielding Behavior under Dynamic Compressive Shear" (2020-030); China-Belarus Electromagnetic Environmental Effects "One Belt, One Road" Joint Laboratory (ZBKF2022031101)引文格式：贾宜委, 王鹤峰, 王宇迪, 等. 航空发动机涡轮叶片热障涂层研究现状[J]. 表面技术, 2023, 52(11): 139-154.JIA Yi-wei, WANG He-feng, WANG Yu-di, et al. Research Status on Thermal Barrier Coating of Aircraft Engine Turbine Blade[J]. Surface Technology, 2023, 52(11): 139-154.*通信作者（Corresponding author）·140·表面技术 2023年11月forms include: double-layer structures, multi-layer structures and gradient structures. The classical double-layer structure is still most widely used. The preparation process of multi-layer and gradient structures is more complex and both multi-layer and dual ceramic layer structures are prone to interfacial bonding problems in use, which limits their widespread application. Secondly, the current research status of binder layer materials for thermal barrier coatings is summarized. The current research on MCrAlY alloy and NiAl alloy mainly focuses on the modification of doping elements and MCrAlY alloy still needs to be improved in terms of interfacial bonding and high temperature oxidation resistance, while the advantage of NiAl alloy mainly lies in its creep resistance and oxidation resistance, which can be used as a more ideal binder layer material after modification. At the same time, the research progress of several ceramic layer materials is introduced, such as the doping modification of YSZ, A2B2O7-type compounds, chalcogenide structural materials and several high-entropy ceramic materials that have emerged in recent years. The high-entropy ceramic materials mainly include: high-entropy rare-earth tantalates, high-entropy rare-earth aluminates, high-entropy rare-earth zirconates/hafniumates, high-entropy rare-earth phosphates, high-entropy rare-earth silicates and high-entropy rare-earth oxides, in terms of thermophysical attributes such as thermal cycle life and CTE. Currently, among the doping modifications of YSZ, multi-oxide doping provides more comprehensive performance enhancement. Doping modifications of A2B2O7-type compounds have also yielded good results, but the strength and fracture toughness of the materials need further improvement. Among the high-entropy ceramic materials, high-entropy rare-earth zirconates and high-entropy rare-earth oxides are highly promising materials for ceramic layers. In order to meet the increasing requirements for engine performance, the improvement of the performance of thermal barrier coatings still needs to be continuously explored.Common forms of failure of thermal barrier coatings, such as TGO failure, CMAS corrosion, salt spray corrosion and high temperature sintering, are reviewed and the mechanisms by which they occur are briefly described. Finally, future trends and directions for thermal barrier coatings are presented. In future research, attention should be paid to improving the mechanical properties of coatings, as well as to investigating the mechanisms behind changes in coating performance, and to achieving more accurate predictions of coating life based on current research.KEY WORDS: aircraft engines; thermal barrier coatings; coating structures; coating materials; coating failure forms随着我国航空工业的不断进步，人们对飞行器服役性能等方面的要求在逐渐提高。
热障涂层的研究进展
热障涂层的研究进展随着现代工业的发展，高温材料的应用越来越广泛，如航空发动机、燃气涡轮等。
然而，高温环境下的材料容易发生氧化、腐蚀等问题，降低了材料的使用寿命和可靠性。
为了解决这一问题，人们引入了热障涂层技术，使其在高温工作环境中具有更优异的性能。
热障涂层是一种在金属表面涂覆陶瓷材料的技术，通过降低热通量的方式实现保护材料的目的。
它的特性包括良好的隔热性、抗氧化性、抗腐蚀性、抗磨损性等，使其广泛应用于航空航天、石油、化工、冶金等行业。
近年来，研究人员对热障涂层的性能进行了深入的研究和探讨，取得了不俗的成果。
热障涂层材料的研究热障涂层材料的性能主要取决于表面涂层的结构和材料的选择。
目前，常见的热障涂层材料包括氧化铝、氧化锆、氧化镁、二氧化硅等，其中以氧化铝涂层应用最为广泛。
研究人员通过对涂层材料的组织结构、化学成分等方面的研究，不断优化和提升热障涂层的性能。
例如，一些研究人员通过改变涂层中氧化铝和氧化锆的组成比例，制备了一种新型热障涂层材料。
实验结果表明，该涂层具有更好的耐热性能和耐磨性能，可以有效地提升高温材料的使用寿命。
另外，一些研究人员通过改变热障涂层中陶瓷颗粒的尺寸、形状等参数，探讨了不同参数对涂层性能的影响。
研究结果发现，涂层颗粒尺寸越大，涂层的热阻值越大；而颗粒形状则会对涂层磨损、断裂等性能产生影响。
热障涂层加工技术的研究由于热障涂层是一种高技术含量的涂层技术，其加工过程也十分关键。
研究人员对热障涂层加工技术进行了系统研究，探讨不同加工方法对涂层性能的影响，并提出了相应的改进方案。
例如，一些研究人员对热障涂层的喷涂工艺进行了优化，采用了高速火焰喷涂技术，实现了高效、节能的喷涂过程，同时提高了涂层质量和性能。
另外，研究人员还在热障涂层加工过程中引入了纳米材料，提高了涂层的性能和稳定性。
纳米材料具有较高的比表面积和活性，可以增加涂层的强度、硬度和耐磨性。
热障涂层应用领域的研究热障涂层技术的应用领域越来越广泛，涉及到航空、航天、汽车、船舶、石油、化工、冶金等多个领域。
热障涂层的研究现状与发展方向
从正方相向单斜相转变 ,伴随 3 %～5 %的体积膨胀 ,导致涂层 破坏 ,为延长涂层的使用寿命 , ZrO2 中需加入稳定剂 。20 世纪 60 年代用 MgO 和 CaO 作为稳定剂 ,后来发现以这两种氧化物 作为稳定剂的涂层组织稳定性不好 ,燃气的硫化作用使 MgO 和 CaO 从涂层中析出 ,降低了对 ZrO2 相的稳定作用 ,使涂层的 热循 环 寿 命 降 低 , 目 前 这 两 种 稳 定 剂 已 基 本 被 Y2 O3 所 替 代[6 ,7] 。Stecura 等对不同 Y2 O3 含量稳定的 ZrO2 陶瓷涂层的 热物性能进行了分析 ,结果表明在 Y2 O3 含量为 6 %～8 %时[8] , 陶瓷涂层抗热循环性能最好 ,寿命最长 。
据报道 ,目前美国几乎所有的陆用和船用燃气轮机都采用 了 TBCs ,每年约有 300t 氧化锆材料用在 TBCs 上 ,在未来 10 年中 TBCs 将达到 12 %的年增长率 ,其中在发动机部件中的年 增长率将达到 25 %[2] ,具有广阔的应用开发前景 。近年来 ,随 着航空燃气涡轮机向高流量比 、高推重比 、高进口温度方向发 展 ,燃烧室中的燃气温度和压力也不断提高 。目前 ,燃气温度已 接近 2000 K ,因此航空发动机涡轮叶片的合金材料上需喷涂热 障涂层以承受 1600 ℃以上的涡轮进口温度[4] 。实际应用的热 障涂层大多采用由陶瓷隔热表层和金属粘结底层组成的双层结 构 ,6 %～8 %氧化钇稳定的氧化锆 ( YSZ) 是目前使用最广泛的 陶瓷隔热表层材料 ,金属粘结底层主要为 MCrAl Y 合金 ,其中 M 代表 Ni 、Co 或 NiCo [5] 。由于 YSZ 热障涂层的长期使用温度 为 1200 ℃,超过 1200 ℃,相变加剧 ,易烧结 ,氧传导率高 ,过渡金 属易被氧化 ,导致涂层失效 ,已难以满足涡轮进口温度进一步提 高的需要 。
长寿命热障涂层技术研究进展
第4卷第3期2012年9月热喷涂技术Thermal Spray TechnologyVol.4，No.3Sep.，2012长寿命热障涂层技术研究进展王世兴，刘新基，汪瑞军（北京金轮坤天特种机械有限公司，北京100083）摘要：随着高性能航空发动机对长寿命热障涂层需求的增加，提高热障涂层寿命已成为研究重点。
本文从粘结层成分及结构设计和陶瓷层制备技术方面介绍了长寿命热障涂层研究进展，最后展望了未来低成本、长寿命热障涂层制备技术的研究方向及研究重点。
关键词：热障涂层；APS ；EB-PVD ；垂直裂纹；类柱状晶中图分类号：TG 174.4文献标识码：A 文章编号：1674-7127（2012）03-0001-08D OI 10.3969/j .issn .1674-7127.2012.03.001Progress in Long Life Thermal Barrier Coatings TechnologiesWANG Shi-xing,LIU Xin-ji,WANG Rui-jun(Beijing Golden Wheel Special Machine Co.,Ltd ，Beijing 100083，China)Abstract:With high performance gas turbine engine increased demand for long life thermal barrier coatings,the research interest was focused on improvement thermal barrier coatings life.In this paper,the development and research statues of bond coat composition ，structure design and top coat deposition technology for long life thermal barrier coatings was introduced.The research direction and focus of long life thermal barrier coatings deposited by low cost technologies was also anticipated.Keywords:Thermal barrier coatings ；APS ；EB-PVD ；Vertical cracks ；Columnar-like作者简介：王世兴(1982-)，男，甘肃人，工程师，硕士.E-mai l :wsx 161@163.c o m由于热障涂层（T B Cs ）在延长发动机热端部件寿命、提高发动机性能和效率方面的显著作用，使T B Cs 已先后成功应用于J -75、JT8D 、JT 9D 、P W 2000、P W 4000和V2500等高性能航空发动机热端部件[1-3]。
La2(Zr0.7Ce0.3)2O7——新型高温热障涂层
La2(Zr0.7Ce0.3)2O7——新型高温热障涂层牟仁德;许振华;贺世美;何利民;曹学强【期刊名称】《材料工程》【年(卷),期】2009(000)007【摘要】采用电子束物理气相沉积技术(EB-PVD)制备了新型La2(Zr0.7Ce0.3)2O7 (LZ7C3)热障涂层.研究了涂层的组分、显微结构、表面和横截面形貌以及恒温氧化行为.结果表明:涂层中La2O3/ZrO2/CeO2的相对含量偏离了化学计量比,但X 射线衍射(XRD)相结构与靶材非常相似.通过CeO2 掺杂后,LZ7C3体材料的热膨胀系数比La2Zr2O7 (LZ)大;在1100℃恒温氧化890h的条件下,LZ7C3涂层的抗氧化增重性能明显优于传统的Y2O3部分稳定化的ZrO2(8YSZ)涂层.此外,热膨胀不匹配、黏结层氧化和陶瓷涂层内部微观裂纹的出现可能是导致LZ7C3涂层恒温氧化失效的主要原因.【总页数】6页(P67-71,78)【作者】牟仁德;许振华;贺世美;何利民;曹学强【作者单位】北京航空材料研究院,北京,100095;北京航空材料研究院,北京,100095;中国科学院,长春应用化学研究所,长春,130022;北京航空材料研究院,北京,100095;北京航空材料研究院,北京,100095;中国科学院,长春应用化学研究所,长春,130022【正文语种】中文【中图分类】TG174.444【相关文献】1.双陶瓷层热障涂层3.5％Y2O3-La2(Zr0.7Ce0.3)2O7/YSZ研究 [J], 张晓峰;雷新更;宋希文;崔向中;张永和2.双层YSZ/La2(Zr0.7Ce0.3)2O7热障涂层高温性能研究 [J], 王梦雨;吴琼;冀晓鹃;彭浩然3.Sm2(Zr0.7Ce0.3)2O7纳米热障涂层材料r的制备及其热物性能研究 [J], 王春杰;张爱华;王月4.重型燃气轮机用La2(Zr0.7Ce0.3)2O7/YSZ双层热障涂层热循环性能研究 [J], 汪超; 周鑫; 解旭阳; 张宏琦; 何磊; 曹学强5.等离子喷涂超高温热障涂层用纳米结构La2(Zr(0.75)Ce(0.25))2O7球形喂料的研究 [J], 周飞飞;刘敏;邓春明;张小锋;王铀因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
热障涂层研究进展_李学娇
传 统 YSZ 长 期 使 用 在 1200 ℃ 或 更 高 温 度 时 容 易 发生相变、烧结，这些制约了热障涂层的应用，在传统 YSZ 基础上掺杂其它改性物质，探寻新型热障涂层材料 尤为重要。张红松等 [7-8] 介绍了热障涂层用氧化物稳定 的 ZrO2 陶瓷材料研究现状，对比了多种价态氧化物对热 障涂层抗热性能的影响，重点研究了稀土锆酸盐共掺杂 的 YSZ 热障涂层。魏秋利等 [9] 用电子束物理气相沉积方 法制备了 Gd2O3、Nd2O3 和 Yb2O3 共掺杂的 YSZ 热障涂 层，涂层热导率降低，热循环寿命延长。Zhu 等 [10] 对掺 杂 Yb2O3、Gd2O3、Sm2O3、Sc2O3、Nd2O3 的 YSZ 涂层进 行了研究，涂层热导率降低，涂层寿命延长。Parka SY 等人 [11] 对掺杂 CeO2 的 YSZ 热障涂层进行了研究，涂层 抗热冲击和抗腐蚀能力得到很好的改善。Xu 等 [12] 研究 了 La2Zr2O7/YSZ 双层热障涂层，涂层高温相稳定性更好， 热循环寿命更长。
ZrO2 热 障 涂 层 具 熔 点 高（2680 ℃）、 热 导 率 低 （1000 ℃，2.09W/m·K） 和 化 学 惰 性 等 性 能。ZrO2 热
导率低、耐磨性好、强度和断裂韧性高 ；氧化锆涂层的 热学和力学性能较好，有较高的线膨胀系数，与镍基耐 热合金较为匹配。ZrO2 有三个相，包括单斜（M）相、 四方（T）相和立方（C）相。单斜晶型是常温稳定相，
Nb、V、Hf、Fe、Zr 和 B 等。Cr 和 Al 作用是抗氧化， 这两种合金能够生成致密的氧化膜，防止内部金属被氧 化。稀土元素 Y 用来吸收合金中的氧，改善氧化膜与金 属基体的附着强度。通常热障涂层与基体间的粘结层选 用具有抗高温氧化的 MCrAlY 合金，M 通常是 Fe、Ni、 Co 或 NiCo 等。Ni 比 Co 的抗氧化性能好，Co 比 Ni 抗 热腐蚀性能好，而 NiCo 组合韧性最好。T.A.Talor[4] 对 MCrAlY 的研究表明 NiCrAlY 合金比 NiCoCrAlY 合金 具有更低的热膨胀系数，降低了与陶瓷涂层的热不匹配。
化学溶液法制备涂层导体过渡层La_2Zr_2O_7厚膜的研究
化学溶液法制备涂层导体过渡层La_2Zr_2O_7厚膜的研究王榕;索红莉;程艳玲;刘敏;赵跃;叶帅;高忙忙;周美玲【期刊名称】《人工晶体学报》【年(卷),期】2010(39)2【摘要】为制备高质量的双轴织构La2Zr2O7(LZO)涂层导体过渡层,本文采用化学溶液法(Chemical solutiondeposition,简称CSD法),以乙酰丙酮镧和乙酰丙酮锆为溶质,丙酸为溶剂配制成前驱盐溶液,在立方织构的Ni-5at%W基底上用快速一步法退火工艺制备了LZO种子层及双层LZO厚膜。
SEM观察种子层呈岛状均匀排列,符合种子层形貌特点。
XRD结果显示0.06 mol/L浓度种子层上制备的LZO 厚膜具有很强的双轴立方织构,其中(222)面Phi扫描和(400)面摇摆曲线半高宽值分别为6.37°和5.82°。
SEM观察发现120 nm厚的LZO薄膜表面平整,无裂纹,为后续沉积YBCO提供了很好的模板。
【总页数】5页(P396-400)【关键词】涂层导体;CSD方法;LZO过渡层;种子层【作者】王榕;索红莉;程艳玲;刘敏;赵跃;叶帅;高忙忙;周美玲【作者单位】北京工业大学材料学院新型功能材料教育部重点实验室;北京工业大学数理学院【正文语种】中文【中图分类】TM26【相关文献】1.高分子辅助化学溶液沉积法制备高温超导涂层导体BaZrO3（BZO）缓冲层的研究 [J], 张欣;王文涛;张敏;张勇;张酣;雷鸣;赵勇2.高分子辅助化学溶液沉积法制备涂层导体SrZrO3（SZO）缓冲层 [J], 张欣;王文涛;张勇;张敏;张酣;雷鸣;赵勇3.化学溶液法制备的La_2Zr_2O_7缓冲层特性研究 [J], 于泽铭;周廉;张平祥;熊晓梅;金利华;李成山;卢亚峰4.用化学溶液方法在Ni-5at% W基底上制备La_2Zr_2O_7过渡层的研究 [J], 何东;索红莉;赵跃;刘敏;张迎肖;叶帅;马灵姬;周美玲5.高温超导涂层导体CeO_2缓冲层的化学溶液法制备及其热反应过程研究 [J], 潘成远;蔡传兵;应利良;高波;刘志勇;鲁玉明;刘金磊因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
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La2 Zr2 O7为 A2 B2 O7型二元金属氧化物 ,晶体结 构与烧绿石相同 ,属立方晶系 [ 4 ]看成是由缺少 1 /8 格位氧的萤石结构 ( F –结构 )衍生而来的 (图 1) 。
图 1 萤石和烧绿石结构示意图 Fig. 1 Unit cell of ZrO2 has fluorite structure and
La2 Zr2 O7晶格的包容性很强 ,并且通过合适的离 子掺杂可以有效改变材料的热导率 、比热容和线胀系 数 [ 10～11 ] 。R. Vassen等人 [ 12 ] 研究了 Nd、D y、Sm、Gd、 Eu、Hf、Ce、Ta等元素掺杂对 La2 Zr2 O7的热学性质的 影响 ,结果见表 1。
宇航材料工艺 2009年 第 3期
能表现出韧度 [ 20 ] 。如表 2 所示 ,纳米 La2 Zr2 O7块体 材料的断裂韧度较 m 2La2 Zr2 O7显著增大 ,同时线胀系 数也提高了约 5% ,这对改善 La2 Zr2 O7与高温合金热 膨胀行为的匹配非常有利 。Dy、Ta、Ca的取代产物的 相对密度大 ,其弹性模量和热导率比其他取代产物的 高 ,因此对提高断裂韧度不利 。
收稿日期 : 2008 - 10 - 18 作者简介 :王璟 , 1982年出生 ,博士研究生 ,主要从事高温热结构及热防护的研究 。 E - mail: jingwang@ nudt. edu. cn
宇航材料工艺 2009年 第 3期
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型结构中 , A3 +与 B4 +的半径比越小 ,发生转变所需要 的能量就越少 , Tt 就越低 , N d2 Zr2 O7 、Sm2 Zr2 O7 、Gd2 Zr2 O7的 Tt 分别为 2 573、2 273、1 803 K。而 La2 Zr2 O7 发生有序–无序转变时的能量变化很大 ,使得 La2 Zr2 O7在熔化之前都不会发生相变 ,表现出良好的稳定 性 。如果用离子半径比 Zr4 + 更小的离子 ,如 Ti4 + 或 Mo4 + ,取代 Zr4 + ,也有利于提高有序向无序的 Tt ,从 而改善其结构的稳定性 。 2. 2 热物理性能
·综述 ·
热障涂层用 La2 Zr2 O7 粉末研究进展
王 璟 白书欣 张 虹 张长瑞
(国防科技大学航天与材料工程学院 ,长沙 410073)
文 摘 介绍了 La2 Zr2O7的结构及作为热障涂层材料的热力学性能 ;综述了国内外制备 La2 Zr2 O7粉末的 方法及其工艺对产物性能的影响 ;论述了 La2 Zr2 O7用作热障涂层的优缺点和有待解决的问题 。
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N aro ttam 等 [ 13 ]制备了稀土 Yb和 Gd固溶掺杂的 La1. 7 Yb0. 3 Zr2 O7和 L a1. 7 Gd0. 15 Yb0. 15 Zr2 O7 TBC 陶瓷材料 ,其 热导率较 La2 Zr2 O7降低了 30%以上 。在满足电荷平 衡的前提下 ,用 Ce4 + 取代 La3 + 会增加 La2 Zr2 O7晶体 中的缺陷 ,可使 La1. 94 Ce0. 28 Zr2 O7. 47的热导率从掺杂前 的 1. 81 W / (m·K) 降至 1. 75 W / (m·K) [ 14 ] 。并且 Ce4 +的离子半径和相对原子质量比 Zr4 + 的大很多 , 因此用 Ce4 +取代 La2 Zr2 O7中的 Zr4 +同样可降低材料 的热导率 , La2 ( Zr0. 7 Ce0. 3 ) 2 O7的热导率只有 0. 52 W / (m·K) (1 000℃) 。Dy和 Ce复合掺杂可进一步降低 L a2 Zr2 O7 的 比 热 容 和 热 扩 散 系 数 , L a1. 7 D y0. 3 ( Zr0. 8 Ce0. 2 ) 2 O7的热导率较 La2 Zr2 O7降低近 30% ,室温下 仅有 1. 28 W / (m·K) [ 15 ] 。除了由于氧空位增多导致 声子的散射增强外 , La1. 7 D y0. 3 ( Zr0. 8 Ce0. 2 ) 2 O7具有比 La2 Zr2 O7更低热导率的另一个因素是由于置换阳离 子导致的声子散射 。声子的平均自由程 ( l)反比于固 溶原子原子量与主原子 ( Zr) 原子量 ( 91 ) 的差的平 方 。La2 Zr2 O7中的固溶原子为 La,掺杂原子 Dy和 Ce 后 ,固溶原子的原子量增大 ,导致 l减小 ,声子散射增 强。
在 La2 Zr2 O7中 ,掺杂离子半径比 La3 +小的元素 A 或离子半径比 Zr4 +大的元素 B ,均可使氧空位缺陷增 多 ,导致由于氧空位引起的声子散射增强 ,从而降低 热导率 ,半径差别越大效果越明显 。除 Ca 外 ,其他 离子部分取代 La,均能使热导率降低 ,特别是 La1. 4 Gd0. 6 Zr2 O7的热导率只有 0. 9 W / (m·K) ,比 La2 Zr2 O7 降低 了 42% , 比 8YSZ 低 57%。NASA 实 验 室 的
11. 0 8. 9～9. 1
8. 7 9. 3 9. 3 8. 9 8. 7 8. 8 9. 5 10. 1
2. 12 1. 60 1. 36 0. 91 1. 15 1. 51 1. 41 2. 30 0. 52 0. 83
0. 64 0. 54 0. 56 0. 47 0. 57 0. 47 0. 47 0. 47 0. 39 0. 49
Key words La2 Zr2 O7 , Thermal barrier coatings, Therm a1 and m echanica1 p roperty, Synthesis
1 引言 随着航空燃气轮机向高流量比 、高推重比 、高进
口温度的方向发展 ,燃烧室中的燃气温度和压力不断 提高 。为适应这一恶劣的工作环境 ,发展了热障涂层 ( TBCs) 。典 型 的 TBC 材 料 是 氧 化 钇 稳 定 氧 化 锆 ( YSZ) ,具有高韧性 、高强度 、线胀系数大 、工艺成熟 和价格便宜等优良特性 ,在燃气轮机方面已经大量使 用 。缺点是 YSZ在 1 170℃以上容易发生相变和烧 结 。研究能替代 YSZ在更高温度下使用的 TBC材料 是今后 研究 工作 的重 点 。锆 酸镧 (La2 Zr2 O7 ) 密 度 6105 g / cm3 ,线胀系数 9. 1 ×10– 6 / K,熔点 2 300℃,并 具有非常高的结构稳定性 、良好的抗烧结性能和较低 的热导率 [ 1. 56～1. 6 W / (m·K) ] ,是一种前景良好 的高温 TBC 材 料 [ 1～3 ] 。本 文介 绍了 La2 Zr2 O7 的结 构 、性能与制备 ,综述了近年来 La2 Zr2 O7粉末的研究 进展及发展趋势 。 2 La2 Zr2 O7的结构与性能 2. 1 晶体结构
Abstract In this paper, the structure, therm a1 and mechanica1 p roperties of La2 Zr2 O7 are introduced, the tech2 niques for synthesis of La2 Zr2 O7 the effect of p rocess param eters on the characteristics of powder are summ arized. The advantages and existing p roblem s of La2 Zr2 O7 for thermal barrier coatings are reviewed in the end.
La2 Zr2 O7的剪切模量和弹性模量在 A2 Zr2 O7 (A =La, Nd, Sm , Gd, Dy)中是最大的 ,分别为 110 和 270 GPa,泊松比为 0. 28,德拜温度为 575 K左右 ,弯 曲强度为 172 M Pa[ 18～19 ] 。高弹性模量对提高材料的 断裂韧度和抗热震性能不利 ,因此 La2 Zr2O7作为 TBC 材料的一个最大不足即断裂韧度太低 。当 La2 Zr2 O7 晶粒 尺 寸 在 微 米 量 级 时 , 断 裂 韧 度 比 8YSZ 低 约 40 % 。目前的研究工作主要 是 通 过 纳米 化 和化 合 物 掺杂来提高块体材料的断裂韧度 。在陶瓷材料中 ,当 晶粒尺寸减小到纳米尺度 ,在远低于熔点的温度下也
表 1 不同离子掺杂对 La2 Zr2O7块体材料热学性质的影响 Tab. 1 Therma l properties of La2 Zr2O7 substituted by d ifferen t ion s
材料
线胀系数 ( 1000℃) /10– 6 K– 1
热导率 ( 800℃) / W·(m·K) - 1
定压比热容 ( 1000℃)
/ J·( g·K)– 1
8YSZ La2 Zr2O7 L a1. 4N d0. 6 Zr2O7 L a1. 4 Gd0. 6 Zr2O7 L a1. 4 Eu0. 6 Zr2O7 L a1. 7Dy0. 3 Zr2O7 L a2 Zr1. 8 Ta0. 16 Zr2O7 L a1. 92 Ca0. 08 Zr2O7 L a2 ( Zr0. 7 Ce0. 3 ) 2O7 L a2 ( Zr0. 3 Ce0. 7 ) 2O7