In-situ synthesis of gadolinium niobate quasi-binary composites with balanced mechanical and thermal properties for thermal barrier coatings
In-situ synthesis of gadolinium niobate quasi-binary composites with balanced mechanical and thermal properties for thermal barrier coatings
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原位合成具有平衡机械和热性能的铌酸钆准二元复合材料用于热障涂层
DOI：
10.1007/s40145-022-0622-2
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发表时间：
2022-08
影响因子：
16.9
通讯作者：
Chunlei Wan
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Yi Han;Peng-an Zong;Muzhang Huang;Zesheng Yang;Yingjie Feng;Wei Pan;Peng Zhang;Chunlei Wan
摘要氧化钇稳定氧化锆（YSZ）作为热障涂层材料在燃气轮机中应用已有几十年的历史。尽管已经做出了持续的努力来开发可以在更高温度下工作的新型TBC材料，但是除了YSZ之外，没有单一材料具有TBC的所有期望属性。本文报道了基于简单的Gd2O3-Nb2O5二元相图原位合成准二元GdNbO4/Gd3NbO7复合材料。这些准二元复合材料的断裂韧性是显着增强的混合物的规则预测的值相比，因为铁弹域切换更活跃，由于准二元复合材料中的残余应力，这触发更多的裂纹缺陷，由于扩大的工艺区。此外，Gd 3 NbO 7相提供了一个低的热导率，由于大量的化学不均匀性，扩散声子。Gd3NbO7/GdNbO4在1073K下的平衡热导率为1.6W/（m·K），韧性为2.76MPa·m0.5，是目前所获得的最佳综合性能的TBC新材料之一。该工作为设计一种性能平衡、易于制备的新型TBC材料提供了一种可行的途径。
Abstract Yttria-stabilized zirconia (YSZ) has been used as a thermal barrier coating (TBC) material in gas turbines for several decades. Although continuous efforts have been made to develop novel TBC materials that can work at a higher temperature, no single material other than YSZ has all the desired attributes for the TBCs. In this paper, we report the in-situ synthesis of quasi-binary GdNbO 4 /Gd 3 NbO 7 composites based on the simple Gd 2 O 3 -Nb 2 O 5 binary phase diagram. The fracture toughness of these quasi-binary composites is remarkably enhanced compared with the value predicted by the rule of mixtures because the ferroelastic domain switching is more activated due to the residual stress in the quasi-binary composites, which triggers more crack defections due to the enlarged process zone. Additionally, the Gd 3 NbO 7 phase provides a low thermal conductivity due to the substantial chemical inhomogeneity, which diffuses phonons. Gd 3 NbO 7 /GdNbO 4 exhibits a balanced thermal conductivity of 1.6 W/(m·K) at 1073 K and a toughness value of 2.76 MPa·m 0.5 , and these values are among the best comprehensive properties that have been obtained for new TBC materials. The work demonstrates a feasible approach of designing a new TBC material with balanced properties and can be easily fabricated.
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