La1-xGdxMg1-xNixAl11O19热障涂层陶瓷层材料热物理性能及CMAS腐蚀行为研究

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随着航空发动机的不断发展,其内部工作温度越来越高,面临的Ca O-Mg O-Al2O3-Si O2(CMAS)腐蚀也愈加严重,这对热端部件表面热障涂层的热物理性能、力学性能以及高温化学稳定性能等方面提出了更高的要求。目前广泛使用的8YSZ(8 wt.%氧化钇稳定的氧化锆)材料已经无法满足新一代航天飞行器的需求。而镧镁铝酸盐(La Mg Al11O19)材料与传统的8YSZ材料相比具有更低的热导率、更低的烧结速率以及更好的高温相稳定性,对其进行掺杂改性是目前新型热障涂层材料研究的主要方向之一。本文利用Gd3+离子和Ni2+离子对La Mg Al11O19进行共掺杂,采用溶胶凝胶法制备了La1-xGdxMg1-xNixAl11O19(x=0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5)六种陶瓷材料,研究了掺杂含量对材料组织结构、微观形貌、热物理性能、力学性能以及抗CMAS性能的影响,研究的主要内容和成果如下:(1)对不同掺杂含量的La1-xGdxMg1-xNixAl11O19陶瓷材料的制备工艺和显微组织形貌进行了研究。对前驱体煅烧工艺进行优化,煅烧得到的La Mg Al11O19粉末的晶粒为纳米级片状晶,晶粒厚度约为73.7 nm。烧结得到的六种陶瓷块体均为单一的磁铅石型镧镁铝酸盐纯相,掺杂的Gd3+离子和Ni2+离子完全固溶进了La Mg Al11O19的晶格中,形成了稳定的固溶体。随着Gd3+离子和Ni2+离子共掺杂含量的增加,六种陶瓷块体的XRD衍射峰逐渐向高角度方向偏移。La1-xGdxMg1-xNixAl11O19陶瓷材料的晶粒尺寸随着掺杂含量的增加从78.1nm增加到160.9 nm;其相对密度随着掺杂含量的增加从89.7%增加到93.4%。(2)对不同掺杂含量的La1-xGdxMg1-xNixAl11O19陶瓷材料的热物理性能和力学性能进行了研究。在1000℃时La1-xGdxMg1-xNixAl11O19陶瓷块体的热导率随着掺杂含量的增加而降低,从未掺杂时的1.712 W/(m·k)逐渐降低至x=0.5时的1.463 W/(m·k)。陶瓷块体的热膨胀系数在掺杂后均有所提高,在x=0.2时取得最高,为9.468×10-6 K-1。随着掺杂含量的增加,陶瓷块体的硬度从5.2 GPa提高到6.1 GPa,而陶瓷块体的断裂韧性没有明显的变化。(3)对不同掺杂含量的La1-xGdxMg1-xNixAl11O19陶瓷材料在1250℃下的CMAS腐蚀行为进行了研究。结果表明,六种陶瓷粉末与CMAS反应后生成的腐蚀产物基本相同,主要为钙长石Ca Al2Si2O8、尖晶石Mg Al2O4和磷灰石Ca2RE8(Si O4)6O2(RE=La,Gd)。CMAS与陶瓷块体反应形成了一层致密的反应层,反应层由四种不同形态的相组成。结合EDS结果分析,四种相分别为浅色颗粒状的尖晶石相,深色长条状的钙长石相,白色磷灰石相以及不定形的CMAS。尖晶石相主要集中在反应层的上层和下层,钙长石相主要集中在反应层的中下层,磷灰石相弥散分布于反应层内,CMAS集中在反应层的上层。随着掺杂含量的增加,陶瓷块体的反应层厚度总体呈减小的趋势,腐蚀5 h的反应层厚度由38.11μm减小至11.88μm,腐蚀10 h的反应层厚度由41.25μm减小至19.28μm。腐蚀反应生成的高熔点的磷灰石填满了腐蚀通道,阻挡了CMAS与陶瓷块体的接触,抑制了CMAS与陶瓷块体继续反应。
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