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    氧化鋯陶瓷涂層

    更新:2016-9-2 8:09:10      點擊:
    • 產品品牌   抗耐牌
    • 產品型號   ZrO2
    • 產品描述

      氧化鋯陶瓷涂層是熱噴涂涂層中較為常用的一種,其具有硬度高、耐溫性好、抗熱振強等性能。...

    產品介紹
    氧化鋯陶瓷涂層簡介:
    氧化鋯陶瓷涂層由于其優越的耐高溫性能與低的熱導率,廣泛用作航空發動機與燃氣輪機等的熱障涂層(ThennalBanierCoatings:TBCs)。同時,由于具有良好的高溫穩定性,在高溫下具有較高的氧離子電導率,等離子噴涂層還可用作固體氧化物燃料電池的電解質。高溫應用要求涂層具有結構穩定性以及性能穩定性。
    圖(一)噴涂氧化鋯陶瓷涂層耐高溫絕緣
    如前所述,純氧化鋯的晶體結構隨溫度的升高將發生從單斜晶向正方晶、立方晶變化,而降溫時的正方晶向單斜晶的變化將伴隨著體積膨脹,足以超過材料本身的強度而引起開裂,因此,常添加一定量的氧化釔、氧化鈣與氧化鎂、氧化鈰等來將氧化鋯穩定在正方晶或立方晶,避免因溫度變化時的相變引起開裂。


    圖14  H2流量對等離子噴涂TiO2涂層的相結構的影響
    氧化鋯陶瓷涂層的耐溫性能:
    作為熱障涂層常用的氧化鋯為ZrO2-8%Y2O3(8YSZ)(質量分數),ZrO2-CaO(CSZ)。YSZ隨氧化釔含量的不同,晶體結構不同。隨Y2〇3含量的增加,單斜晶含量減少,而正方晶以及立方晶的含量增加。由于噴涂粒子的急冷特征,涂層的晶體結構與粉末的晶體結構會產生差異。8YSZ粉末由正方晶和單斜晶組成,如圖15所示,而等離子噴涂沉積的涂層則主要由正方晶與少量的單斜晶構成。由于X射線衍射分析時正方晶與立方晶的衍射峰一般重疊在一起,難以定量給出涂層中各相的相對含量。采用拉曼光譜分析表明,涂層中不同相的相對含量隨Y203的含量而變化。解析結果如表16所示,即使含約9%Y203(摩爾分數)的YSZ涂層,在噴涂態主要由正方晶構成。隨熱處理時間的增加,發生從正方晶向單斜晶的轉變,而轉變的量隨1〇3含量增加變得不顯著。對于TBC常用的含4.3%(摩爾分數)(質量分數8%)Y203的YSZ,在1200°C處理后,涂層中正方晶的約三分之一被轉變為單斜晶。對于Y203含量接近20%(摩爾分數)的YSZ,涂層基本由穩定的立方晶構成,含有少量的正方晶與微量的單斜晶,隨熱處理時間的增加,正方晶將向穩定的立方晶轉變。

    圖15  YSZ涂層與粉末的結構比較
    噴涂態YSZ涂層中的正方晶呈現準穩特征,在應力的作用下發生應變誘致馬氏體型的相轉變,變為單斜晶。用ZrO2-8%Y2O3(質量分數)的粉末制備的涂層進行了顯微硬度測試后,在測試應力的作用下噴涂態的正方晶發生了向單斜晶轉變。這種應變誘發相引起的正方晶向單斜晶的變化因產生體積膨脹,而具有抑制裂紋擴展的作用,為燒結塊材ZrO2增韌的方法之一。

    圖16  1200℃熱處理不同時間后YSZ涂層的相含量變化
    對于致密的ZrO2,晶體結構不同,其熱導率不同,正方晶的熱導率約為立方晶的2倍,而立方晶約為單斜晶的1/3.5~1/4。因此,涂層的熱物理性能取決于涂層的晶體結構與層狀組織結構。ZrO2-7%Y2O3(摩爾分數)涂層的熱導率為0.95W/(m*K),即使進行熱處理涂層的晶體結構也不發生明顯的變化,因此,在1000°C下經100h熱處理后,熱導率為1.05W/(m*K),基本上無顯著變化。然而,對于ZrO2-5CaO,涂層經1000°C,100h熱處理后,其熱導率從噴涂態的0.6W/(m*K)增加至1.6W/(m*K),熱導率的增加將降低隔熱效果。
    圖17為采ZrO2-Y2O3在三種不同條件下制備的YSZ涂層的溫度擴散系數隨熱處理溫度變化的測試結果,涂層的制備條件如表18所示。結果表明隨涂層制備條件的不同,由于其組織結構不同而使熱物理性能不同。隨電弧功率的增加溫度擴散系數增加,而隨噴涂距離的增加由于孔隙率增加,粒子間的結合率下降使溫度擴散系數降低,YSZ系熱障涂層的熱疲勞壽命與Y2〇3的含量有關,圖19為其含量對熱疲勞壽命的影響,結果表明含有8%Y203(質量分數)穩定的YSZ的熱疲勞壽命最高。熱障涂層的熱疲勞壽命除了與YSZ的成分有關外,還與結合層的成分有關,而結合層的組成與組織影響YSZ與結合層之間的熱生長氧化膜(TGO:thermalgrowthoxide)的特性。圖20為采用不同合金結合層試驗得到的合金種類對熱障涂層壽命的比較,鎳基涂層呈現較高的熱疲勞壽命。

    圖17  不同工藝制備的YSZ涂層的熱擴散率的變化

    圖18  圖中試樣制備條件
    當YSZ熱障涂層在超過1300℃的高溫下使用時,隨保溫時間的延長將發生涂層的燒結從而導致涂層的收縮,如圖21所示,在1300oC下保溫50h后將收縮約0.2%,溫度越高,收縮越嚴重,因此替代YSZ的高溫穩定熱障涂層材料的開發為目前TBC研究的重要方向之一。

    圖(二)氧化鋯陶瓷涂層用于柱塞桿表面形成高硬度耐磨層,同時也有很強的抗腐蝕性能
    近年來,固體氧化物燃料電池技術的開發越來越受到關注,等離子噴涂固體電解質YSZ涂層在電池制造中顯示出較好的應用前景。圖22為不同穩定劑M2〇3含量對YSZ電導率的影響,其中8%Y2O3(摩爾分數)穩定的表現出較高的電導率。使用真空等離子噴涂的薄YSZ涂層作電解質的電池,顯示出優越的輸出特性(圖23)。基于氧化鋯的氧離子導電的電解質特性,基于YSZ的氧傳感器的熱噴涂制造也已經用于生產。

    圖19  Y2O3含量對YSZ涂層熱沖擊壽命的影響

    圖20  不同種類的結合層對YSZ涂層熱沖擊壽命的影響


    圖21  大氣等離子噴涂La-MP涂層與YSZ涂層在1300℃下時效行為的比較


    圖22  M2O3含量對ZrO2的電導率的影響


    圖23 以真空等離子噴涂YSZ為電解質的固體氧化物燃料單電池的輸出特性




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