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悬浮液等离子喷涂纤维掺杂Ba(Mg1/3Ta2/3)O3热障涂层的可控制备及其阻裂行为

批准号:
52102073
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
曹毓鹏
依托单位:
学科分类:
结构陶瓷
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
曹毓鹏

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
针对新型热障涂层陶瓷层在使用过程中普遍存在的过早开裂失效的问题,本项目以Ba(Mg1/3Ta2/3)O3(BMT)材料为研究对象,提出采用悬浮液等离子喷涂制备一种具有阻裂能力的YSZ纤维掺杂BMT复合涂层。其核心是通过调控涂层微结构提升涂层应变容限,辅以纤维增韧来实现涂层阻裂能力的提升。具体通过研究悬浮液成分与制备工艺对其稳定性和雾化特性的影响,获得高稳定性、良好雾化特性的悬浮液;通过调控工艺参数,研究不同微结构涂层的组织成分特征,分析从悬浮液到涂层形成的组织成分演化,明晰涂层的沉积机理;利用热冲击实验对涂层阻裂行为进行研究,并基于涂层真实微结构的数值模拟,分析涂层的阻裂机理;最后建立工艺参数、涂层微结构及其阻裂性能间的关系。通过优化工艺参数,实现具有高阻裂性能BMT涂层的可控制备。本项目对促进BMT涂层的应用具有重要的理论意义与实际价值,同时对于其它陶瓷涂层阻裂性能的改善具有借鉴意义。
英文摘要
Aiming at the common problem of premature cracking failure of new ceramic coatings for thermal barrier coatings during use, this project takes Ba(Mg1/3Ta2/3)O3 (BMT) material as the research object and prepares YSZ fiber-doped BMT composite coatings with crack-resistance by using suspension plasma spraying. The core of the project is to improve the crack-resistance of the ceramic coatings by adjusting the microstructure to increase the strain tolerance, supplemented by fiber toughening. The specific contents of the study include the following aspects: the effects of composition and preparation process on the stability and atomization characteristics of the suspension liquid are studied to obtain the suspension liquid with high stability and good atomization characteristics; the microstructure and composition of different coatings prepared by adjusting the spraying parameters are characterized, and the evolution of the microstructure and composition from the suspension liquid to the coating formation is analyzed to clarify the deposition mechanism of the coatings; the crack-resistance behavior of the coatings is evaluated by thermal shock test, and the crack-resistance mechanism of the coatings is analyzed based on the numerical simulation of the actual microstructure. Finally, the relationship among the spraying parameters, the microstructure and the crack-resistance of the coatings is established. The controllable preparation of the BMT coatings with high crack-resistance is achieved by optimizing the coating preparation parameters. This project has important theoretical significance and practical value for promoting the application of BMT coatings, and also has reference significance for improving the crack-resistance of other ceramic coatings.
航空发动机涡轮进口温度的提升对传统YSZ热障涂层构成了严峻挑战。近年来,新型热障涂层材料在超高温环境中展现出了良好的应用潜力。但采用常规APS制备的相关涂层却常因阻裂性能不足导致使用寿命受限。尽管EB-PVD或PS-PVD能获得高阻裂涂层,但其高昂的制备成本与可能伴随的性能折损又成为了新的障碍。基于此,本项目以新型热障材料Ba(Mg1/3Ta2/3)O3(BMT)为研究对象,利用较低制备成本的悬浮液等离子喷涂技术(SPS)开展了BMT涂层的制备及性能研究。.研究了悬浮液固相浓度、分散剂类型、含量等对悬浮液稳定性的影响,确定了固相浓度介于5-20 wt%,聚乙烯亚胺作为分散剂且添加量在1.5-2 wt%时,所得悬浮液粘度介于1.5-2 mPa·s,适用于SPS。进一步对悬浮液雾化分析证明,进料速度15-35 ml/min和雾化压力0.5-1.5 Bar,液滴能充分雾化。.设计了悬浮液雾化送料装置于常规APS系统中,研究了SPS工艺参数对BMT涂层组织结构及成分特征的影响,成功制备出具有明显类柱状晶结构的BMT涂层,涂层结合强度高达38.7 MPa,且涂层厚度增至1.2 mm以上时,仍可保持良好的结构稳定性。.评估了SPS所制备BMT-YSZ涂层的阻裂性能。与常规APS制备的YSZ涂层和BMT-YSZ双陶瓷涂层相比,本项目涂层的热震寿命和热冲击寿命得到显著提升,提升幅度分别达到6.4倍和39倍。经数值模拟分析显示,SPS所制备BMT涂层独特的类柱状晶组织可以显著增加涂层应变容限,缓解应力集中,提高涂层阻裂能力。.探究了SPS所制备BMT-YSZ涂层的隔热能力。同等厚度下,涂层隔热性能相比APS涂层提升25%。这得益于涂层柱内大量细小的闭合微孔以及亚微米级原料粒径提供了更多的声子散射界面,以及SPS涂层柱间间隙也并非像EB-PVD那样纵向贯穿涂层,其间隙非连续、蜿蜒分布进一步阻碍了热量向涂层面内传递,实现了隔热性能的提升。.此外,研究了CMAS侵蚀对BMT材料的影响。发现CMAS能穿透BMT块体的孔隙、微裂纹和晶界,与BMT发生元素互扩散,导致材料微结构和相组成变化,并增加热导率,降低热膨胀系数和硬度。而通过降低BMT块体表面粗糙度和增加块体致密度可以减弱CMAS润湿和抑制CMAS渗透,减少晶界腐蚀。
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