CMAS對熱障涂層影響的研究.pdf

1、熱障涂層(thermalbarriercoatings，TBCs)具有隔熱性能優(yōu)異、抗腐蝕等特點，已在飛機渦輪發(fā)動機、燃氣輪機等高溫工作條件的部件中獲得廣泛應用，然而在工作時常常受到玻璃態(tài)物質（CaO-MgO-Al2O3-SiO2，CMAS）的影響。本文主要研究了高溫下CMAS導致氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯(YSZ)熱障涂層開裂以及失效的機制，重點研究了CMAS與YSZ反應作用機理。
　　為了更好地描述CMAS對TBCs應力場的影響，本文

2、采用ANSYS有限元的方法，對應力場及位移場進行模擬分析，模擬結果表明，CMAS在高溫下由固態(tài)變?yōu)槿廴跔顟B(tài)，其進入TBCs的孔隙中，當溫度驟降后，CMAS凝固到縫隙中，由于熱膨脹系數(shù)的不同，導致涂層中存在巨大的拉應力，當裂紋為非均勻分布時其應力場分布不均勻，同時產(chǎn)生較大的剪切應力，當應力達到材料屈服極限時將產(chǎn)生裂紋，同時將所得結果和試驗結果相比較，結果也顯示二者結果相似。
　　針對CMAS侵蝕導致YSZ熱障涂層失效的研究，分別采用

3、涂敷和混合燒結兩種方式展現(xiàn)CMAS與YSZ的反應作用，涂敷方式進行了YSZ基體材料的不同、基體燒結溫度的不同、CMAS成分的不同和整體燒結溫度的不同四個方面的研究，混合燒結方式進行了燒結溫度不同和CMAS所占比例不同兩個方面的研究，最終采用掃面電鏡、能譜儀和X射線衍射等技術進行分析測試，從而對CMAS致使YSZ開裂剝落的作用關系進行了研究。
　　實驗結果表明，CMAS高溫下融化進入YSZ晶粒間的空隙中，由于熱膨脹系數(shù)、比熱容、泊松

4、比等物理參數(shù)的差異產(chǎn)生熱應力，在冷卻后會引起YSZ開裂。YSZ不僅會由CMAS的熱機械作用發(fā)生斷裂，而且兩者會在YSZ表面形成一個化學反應區(qū)，裂紋也主要產(chǎn)生在這個區(qū)域。制備工藝相同，YSZ中Y元素的含量不同時，在CMAS的作用下都會造成YSZ基體中出現(xiàn)貧Y區(qū)域，此區(qū)域會加速YSZ的劣化，產(chǎn)生相變，相變導致體積的變化并引起剪切應力增大，導致YSZ開裂;1500℃燒結的基體要比1300℃燒結的YSZ致密，CMAS進入YSZ量就少，對于YSZ

5、的損傷較小;實際沙塵要比配制CMAS對YSZ的侵蝕更為明顯，由于兩者的主要成分相似，所以發(fā)生的反應作用機制也相似;CMAS與YSZ發(fā)生相互作用，1350℃要比1240℃的反應劇烈，溫度越高，發(fā)生相變以及產(chǎn)生熱化學作用的可能性就越大，CMAS對YSZ的侵蝕也越嚴重。CMAS在高溫下會與YSZ產(chǎn)生化學反應，主要是與CMAS中Si和Ca兩元素的擴散有關，與YSZ中的ZrO2生成Ca-O-Zr化合物以及Si-O-Zr化合物，會造成元素擴散，形成