Coatings：ZrO2/Gd2Zr2O7双层热障涂层

引言

热障涂层 (TBC) 是一种陶瓷涂层，沉积在基体表面起到隔热作用以确保基体在高温下工作。用6~8 wt.%氧化钇稳定的氧化锆 (YSZ) 熔点高，导热系数相对较低，得到了广泛应用。但是，YSZ涂层在高温服役时会出现烧结和相变，烧结降低了孔隙率从而降低了隔热性能，并增加了涂层的杨氏模量；从四方相到单斜相的转变会导致体积增加约3%~5%，这进一步增加了涂层中的应力，更高的应力会导致涂层剥落。锆酸钆 (Gd₂Zr₂O₇, GZO) 已成为YSZ替代陶瓷材料的研究重点，其熔点高，导热性较低，烧结倾向低，高温下的相稳定性好。然而，GZO也有缺点，一方面，GZO和TGO层之间发生反应导致GdAlO₃相的形成，它消耗了保护氧化物层，并可能导致粘结层的内部氧化。此外，GZO的断裂韧性相对较低，即使在材料中的低应力下也会导致裂纹扩展。因此，GZO单层的热循环寿命低于YSZ单层。为了利用GZO的高热稳定性和低导热性，同时避免低断裂韧性和与TGO的化学反应的缺点，本文制备了YSZ/GZO双层体系，并分析了其在高温下的应用潜力。

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研究内容

本研究先采用HVOF在Inconel738高温合金基体上制备了CoNiCrAlY Amdry9954粘结层，其厚度约200 μm；然后在粘结层表面采用APS (大气等离子喷涂) 沉积8YSZ顶层，采用SPS (悬浮液等离子喷涂) 制备了GZO顶层，两种顶层的厚度均为约200 μm。随后，采用三种参数制备YSZ层，分别是APS1、APS2 (提高功率，缩短喷涂距离)、APS3 (降低功率)，采用两种参数制备GZO层，分别是GZO LP (低气体流量) 和GZO HP (高气体流量)，从而形成了六种涂层体系。

图1是六种涂层体系的截面形貌。本研究使用白光干涉仪分析了不同涂层的表面粗糙度，采用YSZ-APS1的涂层的R_a值为9.4 ± 0.4 µm，降低功率 (APS3) 沉积YSZ后涂层的R_a值为9.5 ± 0.4 µm，通过增加功率 (APS2) 形成的涂层粗糙度值可以降低到R_a值为7.6 ± 0.1 µm。如图1c、d所示，由于APS2层更平滑，柱状结构几乎不存在。此外，在APS-YSZ夹层更光滑的情况下，涂层中会形成垂直裂纹。由于涂层中的微裂纹数量较少，当冲击后飞溅物冷却时，拉伸应力会积聚，导致分段裂纹的形成，具有分段裂纹的涂层也适用于耐应变涂层。然而，在这种情况下，垂直裂纹与沿着涂层层间孔隙的水平裂纹相结合，特别是在具有高气体流量的SPS涂层中，分支裂纹会对涂层的热循环能力产生负面影响。

图1. 六种不同涂层体系的截面形貌。

图2显示了干燥悬浮液、喷涂后的GZO层和热循环320 h和480 h后的GZO涂层的XRD图。原料粉末和喷涂涂层中均没有烧绿石峰，只存在萤石相。热循环后，烧绿石相特征位置出现微小的峰，表明一些萤石相转变为烧绿石相。然而，这些峰值非常小，主相仍为萤石。因此，相变不会对涂层的循环寿命产生大的影响。

图1. 六种不同涂层体系的截面形貌。

图2显示了干燥悬浮液、喷涂后的GZO层和热循环320 h和480 h后的GZO涂层的XRD图。原料粉末和喷涂涂层中均没有烧绿石峰，只存在萤石相。热循环后，烧绿石相特征位置出现微小的峰，表明一些萤石相转变为烧绿石相。然而，这些峰值非常小，主相仍为萤石。因此，相变不会对涂层的循环寿命产生大的影响。

图3. 四种双层涂层与单层YSZ涂层的热循环寿命对比。

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研究总结

本研究制备了由悬浮液等离子喷涂(SPS)-GZO顶层和大气等离子喷涂(APS)-YSZ夹层组成的双层TBC，并对其微观组织、相结构和力学性能进行了分析。1100 °C的热循环试验表明，与单层APS-YSZ涂层相比，双层涂层能够显著提高涂层热循环寿命。

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