热障涂层（TBC）陶瓷面层材料中稳定剂的种类及作用

目前，TBC涂层中的陶瓷面层主要为完全稳定或部分稳定的氧化锆陶瓷。由于纯氧化锆晶体随温度变化存在不同的晶体类型，当温度超过1000℃时，会发生单斜晶体向四方晶体的转化，并伴随有7%的体积变化，而在随后的冷却过程中，单斜晶体结构会得到恢复，而体积却不能回复到原来状态，即体积在加热冷却前后会发生不可逆转变。这种晶型转变和体积变化，在遭受热循环条件下，涂层内部会产生很大的热应力，从而造成涂层早期开裂，甚至发生剥落失效。因此，需要在纯ZrO2晶体中添加稳定剂。

在纯ZrO2晶体中添加稳定剂后，经烧结或熔融处理形成固溶体，获得在熔点以下整个温度范围内都稳定的、膨胀系数很低的立方型稳定ZrO2。但是，在高温下，虽然全稳定化立方晶ZrO2的膨胀和收缩是可拟的，但其线膨胀和收缩都很大，对于提高抗热震寿命并不利，因此，通常采用由单斜晶体和立方晶体混合结构组成的部分稳定氧化错。这种晶型结构在高温下，单斜晶体部分会发生体积收缩相变，而立方晶体部分则随温度升高发生体积膨胀，两种变化相互抑制，从而使部分稳定ZrO2具有比完全稳定ZrO2更低的平均热膨胀系数，具有更好的抗热震性能。

在氧化锆中中添加的稳定剂包括氧化钙(CaO)、氧化镁(MgO)、氧化钇(Y2O3)和氧化铈(CeO) 等。其中，CaO 稳定剂的加入量有5%、6%、8%、10%、15%和30%，随着CaO含量的增加，涂层的硬度增加。CaO 含量高达30%的涂层，硬度相当高，具有很好的抗高温颗粒冲蚀性能。但是，CaO稳定的ZrO2涂层，若长期或周期性地暴露于1093℃以上的高温环境中，CaO 有扩散出稳定化ZrO2 晶体之外的倾向，导致涂层使用温度受到限制，只能在845℃以上、1093℃以下的高温环境中长期使用，超过1093℃以上只能短期使用。MgO稳定剂的加入量通常为20% ~ 30%，此时，ZrO2在不同温度下，特别是在高温热循环时能保持晶型稳定。MgO稳定的ZrO，在1400C以下，其平衡组织为四方相或单斜相加MgO，在热循环过程中MgO会从固溶体中析出，导致涂层热导率增加，隔热能力下降，广泛应用受到限制。而Y2O3部分稳定的ZrO2,在高达1650°C下长期使用时，Y2O3也不会像CaO那样向晶体外扩散，其化学稳定性和热稳定性均优于CaO部分稳定的ZrO2和MgO部分稳定的ZrO2，是一种性能优异的、使用温度最高的热障涂层材料。其添加量有6% ~8%、13%和 20%，前两种是部分稳定ZrO2，后一种是完全稳定ZrO2，对热障涂层来讲，部分稳定的氧化锆具有更好的抗热震性能，因此，6% ~8%氧化钇部分稳定的氧化锆就成为热障涂层中陶瓷面层的首选材料。

近年来，关于Y2O3、Nd2O3、Sc2O3等部分稳定剂(PSZ)的研究发现：在快速冷却条件下，在ZrO2陶瓷层中存在部分或全部“非转变”的四方相，尽管仍为介稳相，但在1100~1200℃高温循环条件下不分解为平衡的四方相和立方相。而6%~ 8% Y2O3-ZrO2 (YSZ)涂层则在1100~ 1200℃下t'相不发生分解。在CeO-Y2O3-ZrO2中，t'相的稳定性优于8% YSZ，但抵抗含V、S等腐蚀介质燃气的性能较差，而Sc2O3-Y2O3-ZrO2 (SYSZ)具有高温下(1400℃)更高的t'相稳定性和抗热盐腐蚀能力。