MoSi2 改性YGYZ作为陶瓷面层的多层热障涂层体系的抗高温氧化性能研究

doi:10.11902/1005.4537.2023.155

中国腐蚀与防护学报

2023, Vol. 43

Issue (4): 812-820 CSTR: 32134.14.1005.4537.2023.155 DOI: 10.11902/1005.4537.2023.155

中国腐蚀与防护学会杰出青年成就奖论文专栏

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MoSi₂ 改性YGYZ作为陶瓷面层的多层热障涂层体系的抗高温氧化性能研究

宇波¹, 李彰¹(

), 周凯旋², 田浩亮¹(

), 房永超¹, 张晓敏², 金国²

^1.中国航发北京航空材料研究院航空材料先进腐蚀与防护航空科技重点实验室北京 100095
^2.哈尔滨工程大学表界面科学与技术研究所哈尔滨 150001

High-temperature Performance of MoSi₂ Modified YGYZ Thermal Barrier Coating

YU Bo¹, LI Zhang¹(

), ZHOU Kaixuan², TIAN Haoliang¹(

), FANG Yongchao¹, ZHANG Xiaomin², JIN Guo²

^1.Aviation Key Laboratory of Science and Technology on advanced Corrosion and Protection for Aviation Material, AECC Beijing Institution of Aeronautical Materials, Beijing 100095, China
^2.Institute of Surface Science and Technology, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China

全文: PDF(7369 KB) HTML

摘要:

为了提高传统ZrO₂基陶瓷涂层在高温高压环境中的服役性能，本文基于由Y₂O₃/Gd₂O₃/Yb₂O₃共稳定的ZrO₂(YGYZ) 面层、Eu₂O₃/Y₂O₃稳定ZrO₂中间层、NiCoCrAlYTa底层构成的复合热障涂层，设计制备了YGYZ面层内掺杂了不同含量 (10%、20%和30%) MoSi₂自修复粒子的新型热障涂层。利用扫描电子显微镜 (SEM)、X射线衍射仪 (XRD) 和X射线能谱仪 (EDS) 等表征涂层的微观和组织结构，借助箱式高温电阻炉测试涂层的抗高温氧化性能。研究结果表明：掺杂MoSi₂自修复粒子的涂层截面形貌呈层状结构，其相结构不会因MoSi₂掺杂量的变化而发生变化，均为t-ZrO₂和t-MoSi₂相。其中，MoSi₂含量为20%时，涂层在1100 ℃恒温氧化200 h后增重仅为3.7 mg/cm²，相较于MoSi₂含量为10%与30%涂层分别下降了5%与18%，抗高温氧化性能最佳。

关键词 ：热障涂层, 自修复, 等离子喷涂, 抗氧化性能

Abstract：

In order to improve the service performance of traditional zirconia-based ceramic coatings in high-temperature and high-pressure environment, the novel thermal barrier coatings based on Y₂O₃/Gd₂O₃/Yb₂O₃ co-doped ZrO₂ top layer (YGYZ), Y₂O₃/Eu₂O₃ co-doped ZrO₂ middle layer and NiCoCrAlYTa bonding layer were prepared, whose YGYZ top layers were doped with 10%, 20%, and 30% MoSi₂ self-healing particles, respectively. Then their microstructure, chemical composition, phase constitution and isothermal oxidation resistance at 1100 ^oC in air were assessed by means of scanning electron microscope (SEM), X-ray diffractometer (XRD), X-ray energy dispersive spectrometer (EDS) and box muffle furnace. The results show that the cross-sectional morphologies of the coatings doped MoSi₂ self-healing particleswere layered structures, and their phase structures would not change with the variation of the doping amount of MoSi₂, they were all composed of t-ZrO₂ and t-MoSi₂. Among them, the coating with a top layer doped 20% MoSi₂ exhibited the best high temperature performance, whose weight gain was 3.7 mg/cm² after 200 h constant temperature oxidation at 1100 ^oC, which decreased by 5% and 18%, respectively, compared to coatings with 10% and 30% MoSi₂.

Key words： thermal barrier coating self-reparing plasema spraying oxidation resistance

收稿日期: 2023-06-01 32134.14.1005.4537.2023.155

ZTFLH:

TG156.88

基金资助:国家重点研发计划(2121YFB3702004);国家自然科学基金(52075508)

通讯作者: 李彰，E-mail: lz960126@126.com，研究方向为热喷涂耐磨涂层设计及工程应用;田浩亮，E-mail: haoliangtian@163.com，研究方向为先进功能防护涂层材料设计、性能调控及工程应用

Corresponding author: LI Zhang, E-mail: lz960126@126.com;TIAN Haoliang, E-mail: haoliangtian@163.com

作者简介: 宇波，男，1979年生，硕士生
田浩亮，1986 年生，2014 年毕业于北京航空航天大学，获博士学位。现就职于中国航发北京航空材料研究院，研究员，主要从事先进功能防护涂层材料设计、性能调控及工程应用研究。发表SCI/EI 论文60 余篇，参编中英文著作2 部。授权国家发明专利25 项。曾获北京市优秀青年人才、北京市科技新星等荣誉称号。荣获中国航发集团技术发明一等奖，中国腐蚀与防护学会科技进步一等奖 (2 项)、2023 年获得中国腐蚀与防护学会杰出青年成就奖等。

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引用本文:

宇波, 李彰, 周凯旋, 田浩亮, 房永超, 张晓敏, 金国. MoSi₂ 改性YGYZ作为陶瓷面层的多层热障涂层体系的抗高温氧化性能研究[J]. 中国腐蚀与防护学报, 2023, 43(4): 812-820.
YU Bo, LI Zhang, ZHOU Kaixuan, TIAN Haoliang, FANG Yongchao, ZHANG Xiaomin, JIN Guo. High-temperature Performance of MoSi₂ Modified YGYZ Thermal Barrier Coating. Journal of Chinese Society for Corrosion and protection, 2023, 43(4): 812-820.

链接本文:

https://www.jcscp.org/CN/10.11902/1005.4537.2023.155 或 https://www.jcscp.org/CN/Y2023/V43/I4/812

表1 MoSi2/YGYZ粉末的成分 (mass fraction / %)

表2 大气等离子喷涂参数

图1 FM1、FM2和FM3粉末的SEM形貌

图2 FM2粉末在1250 ℃下煅烧2 h后的SEM形貌

表3 FM2粉末煅烧后的EDS分析

图3 FM1、FM2和FM3粉末的XRD谱

图4 高温煅烧后FM1、FM2和FM3粉末的XRD谱

图5 FM2粉末高温煅烧后的XRD谱

图6 M1、M2与M3涂层的截面金相照片

图7 M1、M2和M3涂层的表面XRD谱

图8 M1、M2和M3涂层1100 ℃氧化增重曲线

图9 M1、M2和M3涂层1100 ℃氧化50 h后的XRD谱

图10 M1、M2和M3涂层1100 ℃氧化200 h后的XRD谱

图11 M1、M2与M3涂层在1100 ℃分别氧化50和200 h形成的TGO的截面形貌

图12 M1涂层氧化20 h后底层和中间层界面EDS分析

图13 M1涂层氧化50 h后底层和中间层界面EDS分析

表4 M1涂层氧化50 h后TGO层的EDS分析结果

图14 M1涂层氧化200 h后粘结层和陶瓷层界面EDS分析

表5 M1涂层氧化200 h后TGO层的EDS分析结果

1	Clarke D R, Oechsner M, Padture N P. Thermal-barrier coatings for more efficient gas-turbine engines [J]. MRS Bull., 2012, 37: 891
2	Padture N P, Gell M, Jordan E H. Thermal barrier coatings for gas-turbine engine applications [J]. Science, 2002, 296: 280 pmid: 11951028
3	Jin G, Fang Y C, Cui X F, et al. Effect of YSZ fibers and carbon nanotubes on bonding strength and thermal cycling lifetime of YSZ-La₂Zr₂O₇ thermal barrier coatings [J]. Surf. Coat. Technol., 2020, 397: 125986 doi: 10.1016/j.surfcoat.2020.125986
4	Chen D, Wang Q S, Liu Y B, et al. Microstructure, thermal characteristics, and thermal cycling behavior of the ternary rare earth oxides (La₂O₃, Gd₂O₃, and Yb₂O₃) co-doped YSZ coatings [J]. Surf. Coat. Technol., 2020, 403: 126387 doi: 10.1016/j.surfcoat.2020.126387
5	Zhang T Y, Wu C, Xiong Z, et al. Research progress in materials and preparation techniques of thermal barrier coatings [J]. Laser Optoelectr. Prog., 2014, 51(3): 31
5	张天佑, 吴超, 熊征等. 热障涂层材料及其制备技术的研究进展 [J]. 激光与光电子学进展, 2014, 51(3): 31
6	Miller R A. Thermal barrier coatings for aircraft engines: history and directions [J]. J. Therm. Spray Technol., 1997, 6: 35 doi: 10.1007/BF02646310
7	Paul S, Cipitria A, Golosnoy I O, et al. Effects of impurity content on the sintering characteristics of plasma-sprayed Zirconia [J]. J. Therm. Spray Technol., 2007, 16: 798 doi: 10.1007/s11666-007-9097-5
8	Choi S R, Zhu D M, Miller R A. Effect of Sintering on Mechanical Properties of Plasma-Sprayed Zirconia-Based Thermal Barrier Coatings [J]. J. Am. Ceram. Soc., 2005, 88(10) : 2859 doi: 10.1111/jace.2005.88.issue-10
9	Zhu D M, Miller R A. Sintering and creep behavior of plasma-sprayed zirconia-and hafnia-based thermal barrier coatings [J]. Surf. Coat. Technol., 1998, 108/109: 114
10	He Q, Wang S X, Zhan H, et al. Properties of Gd₂O₃-Yb₂O₃-Y₂O₃-ZrO₂material and thermal barrier coating [J]. Therm. Spray Technol., 2011, 3(4): 28
10	何箐, 王世兴, 詹华等. Gd₂O₃-Yb₂O₃-Y₂O₃-ZrO₂热障涂层材料及涂层性能研究 [J]. 热喷涂技术, 2011, 3(4): 28
11	Li J, Xie Z, He J, et al. Thermophysical properties of Gd₂O₃-Yb₂O₃-Y₂O₃-ZrO₂thermal barrier coating material [J]. Surf. Technol., 2015, 44(9): 18
11	李嘉, 谢铮, 何箐等. Gd₂O₃-Yb₂O₃-Y₂O₃-ZrO₂热障涂层材料的热物理性能 [J]. 表面技术, 2015, 44(9): 18
12	White S R, Sottos N R, Geubelle P H, et al. Autonomic healing of polymer composites [J]. Nature, 2001, 409: 794 doi: 10.1038/35057232
13	Wang L. Self-healing gradient MoSi₂-based anti-oxidation coatings prepared by SAPS [D]. Xi'an: Northwestern Polytechnical University, 2018
13	王璐. SAPS制备自愈合梯度MoSi₂基抗氧化涂层的研究 [D]. 西安: 西北工业大学, 2018
14	Chen H F, Zhang C, Yang G, et al. YSZ-Ti₃SiC₂ thermal barrier coating and its self-healing mechanism under high temperatures [J]. Aeronaut. Manufactur. Technol., 2019, 62(18): 90
14	陈宏飞, 张弛, 杨光等. YSZ-Ti₃SiC₂热障涂层及其高温自愈合机制 [J]. 航空制造技术, 2019, 62(18): 90
15	Xing K Y, Wang X, Li Z X, et al. Research progress of modified MoSi₂coating on molybdenum and Mo-based alloys [J]. Mater. Prot., 2018, 51(12): 104
15	邢开源, 汪欣, 李争显等. 钼及其合金表面改性MoSi₂涂层研究进展 [J]. 材料保护, 2018, 51(12): 104
16	Zhang X L, Lv Z L, Jin Z H. The study of pressureless-sintered Mo(Si,Al)₂-SiC composite [J]. Rare Met. Mater. Eng., 2005, 34: 1267
16	张小立, 吕振林, 金志浩. 无压反应烧结Mo(Si,Al)₂-SiC复合材料的研究 [J]. 稀有金属材料与工程, 2005, 34: 1267
17	Mitra R. Mechanical behaviour and oxidation resistance of structural silicides [J]. Int. Mater. Rev., 2006, 51: 13 doi: 10.1179/174328006X79454
18	Liu Y Q, Shao G, Tsakiropoulos P. On the oxidation behaviour of MoSi₂ [J]. Intermetallics, 2001, 9: 125 doi: 10.1016/S0966-9795(00)00114-X
19	Liu X J. The formation and growth kinetics of thermally grown oxides in plasma sprayed 8YSZ thermal barrier coatings [D]. Fuzhou: Fuzhou University, 2016
19	刘小菊. 等离子喷涂8YSZ热障涂层中TGO的形成与生长动力学 [D]. 福州: 福州大学, 2016
20	Wang Y Y. Oxidation behavior and failure analysis of plasma sprayed thermal barrier coatings [D]. Shenyang: Shenyang University of Technology, 2015
20	王迎亚. 等离子喷涂热障涂层的氧化行为及失效分析 [D]. 沈阳: 沈阳工业大学, 2015
21	Wu J, Guan Q F, Cai J, et al. Microstructure and thermal cycling behavior of the surface-modified thermal barrier coatings by high-current pulsed electron beam [J]. Mater. Rep., 2018, 32: 2202
21	吴健, 关庆丰, 蔡杰等. 脉冲电子束作用下热障涂层微观结构及热循环性能 [J]. 材料导报, 2018, 32: 2202
22	Wang C, Zhou X, Xie X Y J, et al. Thermal Cycle Behavior of La₂(Zr_0.7Ce_0.3)₂O₇/YSZ Double-layer Thermal Barrier Coatings for Heavy Duty Gas Turbines [J]. Therm. Spray Techn., 2019, 11(3): 14
22	汪超, 周鑫, 解旭阳等. 重型燃气轮机用La₂(Zr_0.7Ce_0.3)₂O₇-YSZ双层热障涂层热循环性能研究 [J]. 热喷涂技术, 2019, 11(3): 14

[1]	周文晖, 宋健, 陈泽浩, 杨兰兰, 王金龙, 陈明辉, 朱圣龙, 王福会. 水热腐蚀老化对热障涂层的摩擦磨损性能的影响[J]. 中国腐蚀与防护学报, 2023, 43(2): 261-270.
[2]	宋健, 周文晖, 王金龙, 孙文瑶, 陈明辉, 王福会. 不同Y₂O₃含量的YSZ块体材料在模拟海洋环境下的腐蚀行为研究[J]. 中国腐蚀与防护学报, 2023, 43(2): 359-364.
[3]	王通, 王巍. 聚二甲基硅氧烷涂层自修复过程中的弛豫时间分布研究[J]. 中国腐蚀与防护学报, 2023, 43(2): 337-344.
[4]	张正阳, 郭子新, 周欣, 孙海静, 孙杰. 纳米埃洛石装载苯并三氮唑自修复涂层研究[J]. 中国腐蚀与防护学报, 2022, 42(4): 705-708.
[5]	胡蕴媛, 钱伟, 花银群, 叶云霞, 蔡杰, 戴峰泽. 预腐蚀工艺对Gd₂Zr₂O₇陶瓷抗CMAS腐蚀性能的影响[J]. 中国腐蚀与防护学报, 2022, 42(4): 687-692.
[6]	刘玲, 邵紫雅, 贾天越, 刘国强, 雷冰, 孟国哲. 埃洛石纳米管负载改性及其在智能防腐涂层中的应用研究进展[J]. 中国腐蚀与防护学报, 2022, 42(4): 523-530.
[7]	吴林涛, 周泽华, 张欣, 杨光恒, 张凯城, 王光宇. 等离子喷涂FeCrMoCBY铁基非晶涂层耐蚀性研究[J]. 中国腐蚀与防护学报, 2021, 41(5): 717-720.
[8]	安亮, 高昌琦, 贾建刚, 马勤. 金属硅化物抗氧化涂层的研究进展[J]. 中国腐蚀与防护学报, 2021, 41(3): 298-306.
[9]	余春堂,阳颖飞,鲍泽斌,朱圣龙. 先进高温热障涂层用高性能粘接层制备及研究进展[J]. 中国腐蚀与防护学报, 2019, 39(5): 395-403.
[10]	张勇,樊伟杰,张泰峰,王安东,陈跃良. 涂层自修复技术研究进展[J]. 中国腐蚀与防护学报, 2019, 39(4): 299-305.
[11]	艾鹏,刘礼祥,李晓罡,姜文涛. TiAlSiN涂层对γ-TiAl基合金抗高温氧化性能的影响[J]. 中国腐蚀与防护学报, 2019, 39(4): 306-312.
[12]	虞礼嘉,梁文萍,林浩,缪强,黄彪子,崔世宇. 激光重熔YSZ热障涂层950 ℃的热腐蚀行为[J]. 中国腐蚀与防护学报, 2019, 39(1): 77-82.
[13]	王喜忠,吴建颢,彭徽,郭洪波,宫声凯. 电子束物理气相沉积La₂Ce₂O₇热障涂层的高温燃气热腐蚀行为研究[J]. 中国腐蚀与防护学报, 2017, 37(1): 36-40.
[14]	李新慧,马文,尹轶川,马伯乐,白玉,贾瑞灵,董红英. 液相等离子喷涂SrZrO₃热障涂层工艺的研究[J]. 中国腐蚀与防护学报, 2017, 37(1): 41-46.
[15]	蔡丽丽,马文,李新慧,尹轶川,马伯乐,白玉,王俊,董红英. (Gd_0.7Sr_0.3)ZrO_3.35涂层的CaO-MgO-Al₂O₃-SiO₂(CMAS) 腐蚀行为[J]. 中国腐蚀与防护学报, 2017, 37(1): 47-52.

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