纳米结构氧化锆系热障涂层

随着对纳米材料研究的深人与发展，纳米结构热障涂层尤其是采用热喷涂技术制备纳米涂层逐渐引起了人们的重视：一方面，晶粒达到纳米尺寸使晶界急剧增加，导致晶格内声子散射增强，从而降低涂层热导率，另一方面，纳米热障涂层具有优异的力学性能，可提高涂层的可靠性，延长涂层的使用寿命。

Lima等对大气等离子喷涂的纳米氧化锆涂层的表面粗糙度、显微硬度和弹性模量进行了研究。发现纳米氧化锆涂层的表面比较光滑，随着涂层粗糙度的降低，涂层的显微硬度和弹性模量随之增加。涂层显微硬度的提高可归因于喷涂过程中，熔滴较好的平铺性，从而增加了彼此间的接触点的数量。表面和断面的显微硬度比值为0.78 +-0.13。Chen 等对大气等离子喷涂纳米氧化锆涂层与不锈钢基材间的抗拉强度进行了测定，其结果为45MPa，明显优于传统氧化锆涂层与不锈钢基材之间的抗拉强度。所制备的纳米氧化锆涂层结构致密，气孔率约为7%。涂层中大于10um的气孔，呈不规则的长条状，约占总气孔数的45%。小于1μm的气孔呈圆形，分布比较均匀，占55%左右。

Ma等采用液相等离子喷涂法制备了低热导氧化钇完全稳定化的氧化锆TBCs(经1121℃，400h退火处理)，在25℃ ~ 1300℃时，其热导率为0.55W .m-1.K-1~0.66W .m-t. K-1，远低于传统部分稳定化的氧化锆TBCs，同时低于大气等离子喷涂及电子束物理气相沉积非纳米涂层。这是由于掺杂形成的纳米尺度的缺陷团簇和纳米相以及非平衡相的存在使热导率降低。Padture等也采用液相等离子喷涂法获得ZrO2 -7% (质量分数) Y2O3纳米结构TBCs ，其热导率与温度无关，为1.3W .m-1. K-1。Zhou等在Ni基高温合金基体上先用低压等离子喷涂法沉积NiCrAlY粘结层，再用大气等离子喷涂法制备ZrO2 -8% (质量分数)Y2O3纳米TBCs，测得从室温到800℃纳米结构氧化锆涂层的热扩散率为2.15 x 10-3 cm2/s~2.75 x 10-3 cm2/s，传统氧化锆涂层为2.35 x 10-3cm2/s~2. 96x 10 -3cm2/s。Chen等采用喷雾干燥再造粒的喂料在铝基体等离子喷涂纳米结构ZrO2 -3% (摩尔分数)Y2O3涂层，微观结构形貌如图2-16所示。研究发现，从室温到1200℃ ，纳米结构涂层在第一个热循环和第二个热循环的热膨胀系数分别为11.0x10-6℃-1和11.6x10-6℃-1。热扩散能力都随温度的增加有所降低。纳米结构涂层为1. 80 x 10-3cm2/s~2. 54 x 10-3cm2/s，传统氧化锆涂层为2.25 x10-3cm2/s~2.37 x 10-3cm2/s。

梁波等采用大气等离子喷涂法制备了ZrO2 -3% (摩尔分数)Y2O3纳米TBCs并在相同条件下制备常规TBCs。涂层以Ni基合金为基材，先喷涂50um ~70um的NiCoCrAIY粘结层，然后喷涂200um氧化锆涂层。淬火实验时，分别将试样加热到1000、1100、1200和1300℃，然后水冷10min 后取出，高压空气吹干，如此循环，以涂层剥落面积约为总表面积的5%为涂层失效标准，结果是：纳米涂层与传统涂层的淬火寿命分别为118次、100次、50次、10次和48次、30次、28次、3次。

为了充分发挥纳米结构材料作为热障涂层的潜能，当前必须要解决几个关键问题：①纳米结构喂料的制备工艺还需要进一步完善；②发展新型热喷涂技术可使涂层的性能得到改善；③稀土元素对涂层的改性研究与纳米结构在涂层中的引入并没有很好的结合起来，目前在这方面的研究还很欠缺。④进一步的研究来阐明纳米相结构对材料宏观属性的影响特别是热导率。⑤必须保证这些材料在先进涡轮发动机工作温度( > 1200℃)下具备高热稳定性。

摘自高温防护涂层技术一书