● 摘要
热障涂层（Thermal Barrier Coatings）是先进燃气涡轮发动机核心部件的热防护涂层。锆酸钆（Gd2Zr2O7）是一种综合性能优良的陶瓷材料，有望成为新一代超高温热障涂层的陶瓷隔热层材料。本论文通过研究不同氧化物掺杂对Gd2Zr2O7热物理性能和高温相稳定性的影响，以降低Gd2Zr2O7的热导率，提高Gd2Zr2O7热障涂层的隔热性能；采用电子束物理气相沉积（EB-PVD）制备改性Gd2Zr2O7热障涂层，研究改性涂层的热循环寿命以及涂层在模拟发动机环境下的高温稳定性，为新一代超高温长寿命高可靠性热障涂层的研制提供理论依据。
采用化学共沉淀或高温固相反应的方法制备了不同氧化物掺杂的Gd2Zr2O7，揭示了氧化物掺杂类型、掺杂浓度对Gd2Zr2O7的晶体结构、热物理性能以及高温相稳定性的影响机理。采用Nd2O3、TiO2等掺杂，在1600℃高温固相合成了 (Gd2/3Nd1/3)2Zr2O7、 (Gd0.8Nd0.2)2Zr1.9Ti0.1O7等化合物，所有化合物均呈现烧绿石结构，相对于Zr4+位置取代，Gd3+位置的取代更有利于提高化合物的有序度和降低热导率；采用化学共沉淀法制备了Sc2O3掺杂的 (Gd1-xScx)2Zr2O7材料，当0＜x≤0.3时固溶体具有烧绿石结构，x＞0.3时固溶体为萤石结构，掺杂的Gd2Zr2O7晶格中存在间隙离子，氧空位浓度降低，热导率增加；采用Yb2O3掺杂，在1600℃高温固相反应制备了萤石结构的(Gd1-xYbx)2Zr2O7（x=0.1，0.3，0.5，0.7），有效降低了Gd2Zr2O7热导率，当x=0.1时（即Yb2O3掺杂量为10mol%），块体材料热导率最低（在1200℃为0.92 W/mK）。基于以上研究，提出采用10mol%Yb2O3掺杂Gd2Zr2O7(GYbZ)作为热障涂层陶瓷隔热层材料。
针对GYbZ材料断裂韧性较低的问题，设计采用了GYbZ/YSZ双陶瓷层结构热障涂层，采用电子束物理气相沉积（EB-PVD）制备了成分近似化学计量比、柱状晶结构的GYbZ/YSZ热障涂层，研究了涂层的热循环寿命，并揭示了涂层的失效机理。在1100℃保温5min、水淬至室温的测试条件下，GYbZ/YSZ热障涂层寿命达到230次；在1100℃保温55min、风冷至室温的测试条件下，涂层寿命达到500次以上；在涂层表面温度为1350℃、保温5min、冷却90s的高温燃气热冲击条件下，涂层寿命超过3000次，涂层的剥落失效首先发生在GYbZ表层。
研究了CMAS (22CaO-19MgO-14AlO1.5-45SiO2,mol.%)作用下GYbZ/YSZ热障涂层高温组织结构的演变行为，发现Yb2O3掺杂能够有效提高GYbZ/YSZ热障涂层对CMAS熔体渗入的阻挡作用，并提出了作用机理。在1250℃高温环境下， CMAS与GYbZ/YSZ反应，在涂层表面形成了主要由磷灰石、尖晶石、镁橄榄石和萤石结构ZrO2组成的致密反应层，阻止了CMAS进一步渗透；掺杂Yb2O3有利于促进该反应层的形成。
比较研究了900℃、V2O5和V2O5+Na2SO4两种熔盐环境下GYbZ/YSZ、Gd2Zr2O7/YSZ热障涂层的抗热腐蚀性能，发现GYbZ/YSZ涂层抗腐蚀能力弱于Gd2Zr2O7/YSZ涂层，揭示了Yb2O3削弱GYbZ涂层抗腐蚀性能的作用机理。在Gd2Zr2O7加入Yb2O3后，降低了Gd2Zr2O7的碱性，导致GYbZ/YSZ涂层表面不能形成连续的反应阻挡层，熔盐在涂层内部渗透加重，引起GYbZ涂层和YSZ涂层界面开裂或者金属粘结层热腐蚀。