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题目：
雅宝题库答案：
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雅宝题库解析：
纳米热障涂层由于具有较低的热导率、较高的热膨胀系数以及更长的热循环寿命而被广泛应用于涡轮发动机工作叶片以提高工作温度和工作效率。然而纳米热障涂层长时间在高温下发生晶粒长大，严重烧结，从而导致失去原有的纳米结构，破坏了纳米结构材料所特有的性能，因此高温下抑制晶粒长大，提高纳米热障涂层的高温抗烧结性能具有重要意义。本文主要研究内容和研究结果如下：采用大气等离子喷涂技术分别制备掺杂量为4wt% Al2O3-YSZ（4AlYSZ）、8wt% Al2O3-YSZ（8AlYSZ）和13wt% Al2O3-YSZ（13AlYSZ）的热障涂层。采用X射线衍射分析（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）方法对制备态涂层和热处理后涂层的相组成、微观形貌和组织结构进行了分析。利用激光脉冲技术测定其热导率，并采用第一性原理研究了Al2O3-YSZ的键长、晶格参数和集居数等，从理论上研究了降低热导率的影响因素。通过高温静态氧化实验和高温热循环氧化实验研究其热失效行为。利用有限元分析软件对纳米4wt% Al2O3-ZrO2、8wt% Al2O3-ZrO2和13wt% Al2O3-ZrO2涂层的残余应力进行了模拟仿真计算。研究结果表明，制备态纳米4AlYSZ、8AlYSZ和13AlYSZ涂层中Al元素固溶于ZrO2晶格中，涂层中只含有t-ZrO2相，没有发现m-ZrO2和α-Al2O3相的存在。纳米4AlYSZ、8AlYSZ和13AlYSZ制备态涂层中t-ZrO2粒子的晶粒尺寸分别为：64.8nm，63.3nm和62.7nm。纳米4AlYSZ、8AlYSZ和13AlYSZ涂层中典型的微观结构特征主要包括：熔化区域，纳米区域（未熔化颗粒）和孔洞。在1100oC热处理300h后纳米4AlYSZ、8AlYSZ和13AlYSZ晶粒尺寸分别为：164nm、140nm和120nm，明显低于纳米YSZ 在1100oC热处理300h后的晶粒尺寸（178nm）。Al2O3的添加有效的抑制了ZrO2晶粒的长大。主要是由于纳米AlYSZ涂层在1100oC热处理后Al元素向外扩散并以α-Al2O3形式从ZrO2固溶体或者从富Al的无定形区域析出，析出的Al2O3形成晶内结构或者晶间结构，从而钉扎晶界，抑制ZrO2晶粒长大。室温下传统YSZ、纳米YSZ、纳米4AlYSZ、8AlYSZ和13AlYSZ涂层热导率分别为：1.43 W/(m•K)、1.15 W/(m•K)、0.81 W/(m•K)、0.97 W/(m•K)和1.12 W/(m•K)。与传统YSZ涂层材料相比，纳米Al2O3-YSZ和纳米YSZ涂层由于点缺陷引起的散射和晶界散射的协同作用导致纳米涂层材料热导率的降低。在1100oC热处理后纳米涂层的热导率升高，主要是由于涂层中晶粒尺寸长大和孔隙率降低引起。第一性原理计算表明添加Al元素后二氧化锆晶胞发生畸变，空位浓度增加，降低了YSZ材料的热导率。1100oC高温静态氧化实验表明，纳米4AlYSZ 8AlYSZ 和13AlYSZ涂层遵守抛物线定律。在1100oC纳米4AlYSZ 8AlYSZ 和13AlYSZ涂层的抛物线常数Kp分别约为0.106、0.06884和0.04365 。在1100oC纳米4AlYSZ 、8AlYSZ涂层和纳米13AlYSZ涂层主要从粘结层和热生长氧化层（TGO）处剥落，其热循环寿命分别为：920次、933次和950次，纳米13AlYSZ涂层具有最长的热循环寿命。有限元计算结果表明： TGO层与粘结层界面处的应力分布，无论是径向应力还是轴向应力，纳米13AlYSZ涂层明显小于纳米4AlYSZ和8AlYSZ涂层。因此，纳米13AlYSZ涂层热循环寿命较高。通过此项研究为探索纳米Al2O3-YSZ复合涂层材料成为发动机叶片隔热涂层作必要的应用基础性理论研究。 |
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发表于 2022-8-28 12:41:39
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