● 摘要
本论文主要采用低压等离子喷涂的方法在DZ125高温合金基体上喷涂了NiCrAlY粘结层，然后采用大气等离子喷涂（APS）方法分别沉积了纳米结构氧化钇部分稳定氧化锆的（YSZ）涂层和传统YSZ涂层；并采用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）等方法研究涂层微观结构及氧化物的形貌和成分，分析了热处理对纳米结构YSZ涂层热物性、热稳定性和热循环性能的影响。并采用激光脉冲法测量了纳米结构YSZ涂层的热扩散率，采用ANSYS8.0对涂层升温和降温时的受力情况进行有限元应力分析。 本论文的目的是，通过等离子喷涂工艺制备出纳米结构的YSZ涂层，研究结构热稳定性、涂层的热物性以及抗循环氧化性能，同时还对比其与传统YSZ涂层寿命差异，并用有限元分析的方法研究其内部应力，找出纳米结构氧化锆涂层具有优异性能的原因所在。 纳米结构YSZ涂层由两种结构组成：连续的熔化相和疏松的未完全熔化相。涂层的平均晶粒尺寸可由谢勒公式计算的XRD结果而得到。晶粒的尺寸随着热处理温度的提高和热处理时间的延长而增大。晶粒沿热传导方向生长成柱状结构。晶粒生长的活化能较低主要由于纳米结构YSZ涂层的多孔结构和GRIGC（晶粒生长导致晶粒的合并）生长机制。 随着热处理温度和时间的增加，热扩散率也逐渐增加。随热处理温度从室温到1150℃和随时间从0到300小时，热扩散率的范围分别为0.183-0.296 mm2/s 和 0.183-0.523 mm2/s。热扩散率的增加与晶粒的长大和晶界数量的减少有直接的关系。 分别在1050℃, 1100℃和1150℃进行热循环实验，结果显示纳米结构YSZ涂层的寿命为传统YSZ涂层寿命的1.2~1.4倍。通过瞬态热分析得知，纳米结构YSZ涂层的应力比传统YSZ涂层小，其中拉断应力仅为后者的67%。拉断应力是涂层表面龟裂以及屈曲失稳的主要因素，因此可以判断这是造成两种涂层寿命差异的很大原因。另外，陶瓷层与TGO层交界处的边缘剥离应力也是传统YSZ涂层要大，而该处的边缘剥离应力是层间裂纹的成因，因此可以判断这是造成两种材料寿命差异的另一个重要原因。 文中得到的结果对纳米结构TBC在高温发动机中的使用具有一定意义。