● 摘要
热障涂层是高性能航空发动机核心部件高压涡轮叶片的三大关键技术之一，新型耐高温、高隔热热障涂层材料的研究时目前国际上高温防护涂层领域的研究热点和难点。多元稀土氧化物掺杂时改善二氧化锆基热障涂层性能的有效手段，但是由于稀土元素的种类、晶体结构、掺杂浓度等对氧化锆陶瓷材料的热物理性能、高温相稳定性以及服役寿命影响复杂，目前机理尚不明确。本论文深入研究了Y2O3和Yb2O3以及Sc2O3和Gd2O3共掺杂ZrO2材料的制备方法、高温相稳定性以及热物理性能。 论文揭示了5~6mol.%Y2O3和Yb2O3共掺杂（YbYSZ）对ZrO2体系材料高温相稳定性和热物理性能的影响规律。YbYSZ中单斜相含量低于Y2O3或Yb2O3单掺杂的ZrO2，当掺杂含量Yb2O3 /Y2O3 ≥ 1时，单斜相含量最低。经过1500 ℃热处理100 h，该体系样品中单斜相含量均增加，但YbYSZ中的单斜相的增加量小于4.55mol.%Y2O3-ZrO2（4.55YSZ），尤其当Yb2O3/Y2O3≥1时，单斜相的增加量更小，主体相仍是非相变的t′相，表明Yb2O3比Y2O3更好的稳定了t′-ZrO2。热导率测试结果表明，YbYSZ的热导率明显低于Y2O3或Yb2O3单掺杂ZrO2，且随着掺杂总量的增加（从5mol.%到6mol.%）而进一步降低，其中，3mol.%Yb2O3-3mol.%Y2O3-ZrO2热导率最低，在1000℃的热导率为1.8 W•m-1•K-1，比4.55YSZ低25%左右。 论文揭示了7.5 mol.%Sc2O3和Gd2O3共掺杂（ScGdSZ）对ZrO2体系材料高温相稳定性和热物理性能的影响规律。4.55YSZ和ScGdSZ制备态中均无单斜相存在。经过1400 ℃/150 h热处理，4.55YSZ中生成40mol.%单斜相，而ScGdSZ仍没有单斜相出现，体现了优异的高温相稳定性，ScGdSZ中的立方相随Gd2O3掺杂量的增加而增加，但其掺杂量小于2 mol.%时，材料的主体相还是非相变的t′相。ScGdSZ的热导率随着Gd2O3掺杂量的增加而降低，3.7mol.%Sc2O3-3.7mol.%Gd2O3-ZrO2的热导率最低，为1.47~1.58 W•m-1•K-1，比4.55YSZ低40%。 研究发现，5.5mol.%Sc2O3-2mol.% Gd2O3-ZrO2热处理后保留65mol.%的t′相，热导率（1.61~1.73 W•m-1•K-1）比4.55YSZ低30%，热膨胀系数高于10×10-6K-1，具有最好的综合性能。