摘要
热障涂层(ThermalBarrierCoatings，简称TBCs)技术自提出以来，作为重要的热防护技术之一，已在航空领域得到了广泛应用。随着航空发动机推重比的不断提高，传统热障涂层材料YSZ的使用局限性增加，如涂层的工作温度最高只能用于1200℃，在超过1200℃的长时间高温服役环境下YSZ内部会发生相变问题导致涂层的开裂失效。因此寻求具有高熔点、低热导、抗烧结以及高断裂韧性等热物性能优异的新一代热障涂层材料是亟待解决的重要问题。本课题研究了RE2Zr2O7(RE为稀土元素)型高熵陶瓷热障涂层材料，通过设计三元、四元和五元RE2Zr2O7型陶瓷的成分组合，并采用固相合成法制备出相应的陶瓷块体，对陶瓷块体微观结构、热物性能及抗CMAS腐蚀性能进行研究，主要研究内容如下： 1.RE2Zr2O7型高熵陶瓷成分组合的设计、陶瓷块体的制备以及微观结构的表征。通过线性回归分析设计了陶瓷的组元成分，采用高温固相合成法对陶瓷块体进行制备，利用XRD、SEM、EDS等基础表征方法对制备得到的陶瓷块体的相结构和微观形貌进行分析。结果表明制备得到的RE2Zr2O7型高熵陶瓷为萤石相，EDS能谱显示陶瓷中的元素分布均匀。 2.RE2Zr2O7型高熵陶瓷热导率和力学性能的表征与分析。研究结果表明，RE2Zr2O7型高熵陶瓷具有较低的高温热导率，在室温至1300℃温度范围内，RE2Zr2O7型高熵陶瓷的热导率在1.24W/(m·K)~1.73W/(m·K)，同时，YSZ陶瓷的热导率在2.26W/(m·K)~2.78W/(m·K)之间，远高于RE2Zr2O7型陶瓷；力学性能表征结果表明，从整体趋势看，随着稀土元素种类的增多，RE2Zr2O7型高熵陶瓷的硬度逐渐增强，其值与YSZ持平甚至超过YSZ，断裂韧性也逐渐增强，但远低于YSZ陶瓷的断裂韧性，其值最高仅为1.04MPa·m1/2。表明RE2Zr2O7型高熵陶瓷具有良好的热学性能，可以满足热障涂层的热学性能要求，但还需对RE2Zr2O7型高熵陶瓷的增韧机制进行研究。 3.RE2Zr2O7型高熵陶瓷抗CMAS腐蚀性能的研究。结果表明RE2Zr2O7型陶瓷中稀土元素与CMAS中的SiO2和CaO发生反应后生成了磷灰石(Ca2RE8(SiO4)6O2)以及立方相氧化锆(c-ZrO2)，高熔点的磷灰石聚集在腐蚀反应层和陶瓷层界面处，在界面处生成了一层致密层，具有良好的抗CMAS腐蚀性能；YSZ的腐蚀微观形貌显示其CMAS渗透较深，抗腐蚀性能较差。
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