CeO2/Y2O3-ZrO2纳米结构热障涂层的抗烧结性能研究

李任伟，黄 飞

(东北电力大学 工程训练教学中心，吉林 吉林 132012)

CeO2/Y2O3-ZrO2纳米结构热障涂层的抗烧结性能研究

李任伟，黄 飞

(东北电力大学 工程训练教学中心，吉林 吉林 132012)

采用两种热障涂层材料分别是8%的Y2O3- ZrO2(YSZ)和在8%的Y2O3- ZrO2中掺杂25%的CeO2(CSZ)纳米团聚粉末，制备了两种相同规格的压缩块体，并进行1 300 ℃依次保温1 h、2 h、3 h抗烧结试验，使用扫描电镜(SEM)和场发射电镜(FESEM)观察分析热处理后块体微观组织特点，热处理3 h后CSZ块体致密度明显高于YSZ，在第2 h和第3 h时间段CSZ的被烧结速度要明显快于YSZ。结果表明：相同时间内，热处理后CSZ致密度要高于YSZ，但CSZ的抗烧结能力不如YSZ。

热障涂层；纳米团聚粉末；热处理；烧结程度

热障涂层(TBCs)与激光熔覆涂层相似，是一种能够起到隔热作用并防止零件在高温环境中被氧化与腐蚀的保护涂层。它的隔热作用可降低涂层下基体金属所承受的实际工作温度，有效地提高零部件的使用性能和延长寿命[1-3]。近些年来微米级的YSZ热障涂层材料已不能满足航空发动机涂层的使用要求，纳米级的YSZ成为热障涂层领域的学者们的研究热点之一，例如这种材料的抗热震性能，抗高温熔盐腐蚀性能，抗氧化性能，涂层与粘结层之间的热膨胀系数匹配等问题有了大量研究成果[4]。同时，S.Sodeoka[5]和周洪[6]在YSZ中添加CeO2后，发现涂层的耐腐蚀性能、强度韧性有所提高，热导率被降低，涂层有更好的综合性能，因而能显著提高热障涂层的使用性能并且延长了使用寿命，CeO2可以成为YSZ中的第三元改性稳定剂[7-9]。

如何在CSZ涂层基础上再次提高涂层寿命是一个研究难题。目前关于YSZ和CSZ涂层失效原因研究较多，但YSZ和CSZ两种涂层在高温下的由于涂层烧结导致的失效研究较少。所以，本文对YSZ和CSZ两种热障涂层材料进行抗烧结性能分析。

1 试验材料与方法

采用两种粒度范围均在50 μm左右的纳米团聚粉末8%的Y2O3-ZrO2(YSZ)和在8%的Y2O3-ZrO2中掺杂25%的CeO2(CSZ)。首先用电子显微秤分别量取6.50 g的YSZ和CSZ粉体若干份。然后，使用压缩机将粉体压制成直径20 mm的圆柱形块体试样，下压力设定为35.0 kN，下压速度设定为2 mm/min，由于两种混合粉末密度不同，所得到的YSZ和CSZ圆柱型块体试样尺寸厚度不相同，分别为为7.6 mm和7.5 mm。

将若干压缩后的YSZ和CSZ块体放入预设温度1 300 ℃的热处理炉中，进行1 h、2 h、3 h的保温处理，随炉冷却后取出试样，将块体机械粉碎，通过FESEM进行观察分析相同保温时间内YSZ和CSZ块体内部晶粒大小情况，本实验所选温度参照航空发动机热障涂层工作温度。

2 实验结果及讨论

2.1 块体热处理3h 致密度的变化

在1 300 ℃热处理3 h后，YSZ与CSZ块体试样体积明显缩小，图1为热处理保温3 h后YSZ和CSZ块体对比图片，从图片中清晰看出保温处理前后CSZ体积变化明显大于YSZ。

图1 陶瓷块体烧结前后宏观体积对比

在1 300 ℃热处理3 h后，将热处理3 h前后YSZ和CSZ体积与密度变化数据见列表1所示，由表1可以得出CSZ与YSZ烧结前后体积分别缩小到原来的55%与65%，两者体积明显的缩小了。主要原因是由于块体在烧结过程中，各个团聚颗粒间连结到一起，形成烧结颈，块体内部的气体溢出；另一方面是当温度超过1 170 ℃会发生m-ZrO2相→t-ZrO2相并伴随体积收缩；同时YSZ和CSZ的密度分别提高了1.45 g/cm3和2.23 g/cm3，说明了YSZ与CSZ的致密度有了显著的提高，CSZ致密度提高的幅度要大于YSZ，主要原因是在烧结过程中Y2O3中Y3+和CeO2中的Ce4+离子可置换ZrO2中的Zr2+形成置换固溶体，造成晶格畸变并产生了氧空位，从而储存了大量的晶格畸变能，为烧结驱动力提供了能量，而且封闭于晶粒内部的气孔还可以通过氧空位的扩散而消除，从而提高了材料的致密度[10]。理论意义上讲，涂层的致密度高，涂层的抗腐蚀能力要强，此实验可以间接说明CSZ涂层的抗腐蚀能力强于YSZ涂层。

表1 CSZ和YSZ热处理后参数的变化

2.2 YSZ和CSZ不同时间下的烧结程度分析

图2 YSZ在1 300 ℃经不同烧结时间的FESEM形貌

将不同保温热处理后试样机械粉碎，取块体表面部分用FESEM进行观察，如图2为YSZ不同保温时间下的形貌，图2(a)为保温1 h的图像，块体内部颗粒开始黏结形成烧结颈，存在许多较大的空隙。图2(b)是保温2 h的图像，与图2(a)比较空隙略微减小，粉体颗粒间形成了更多的烧结颈，颗粒之间排列的比较致密。图2(c)是经过1 300 ℃×3 h后块体内部形貌，与图2(b)比较，无明显的变化。所以从三幅图可以看出YSZ块体烧结程度有所增加，但是不是很明显。

图3是CSZ不同时间下热处理后形貌，从图3(a)保温1 h图片可以看出，颗粒之间已经出现黏结颈，呈现网状结构，颗粒大小及孔隙排布比较均匀。在图3(b)保温2 h可以清晰看出，颗粒间连结的更加紧密，孔隙数量在减少、变小，可见烧结进程比较明显。图3(c)为保温3 h后的像，中间大部分颗粒已经完全连结在了一起，形成了蜂窝状结构，孔隙基本消失。随着热处理时间的延长，孔隙逐渐减少变小，最后小颗粒基本被烧结团聚到无孔隙的结构。通过三图可以看出CSZ随时间延长，烧结程度增加明显。

比较YSZ与CSZ烧结过程，本实验的每个相同时间段图片对比，保温1 h的两幅图片可以看出，两者都出现烧结颈，存在大量孔隙。两者烧结进度无明显区别，然而CSZ在第二小时时颗粒连结的更加紧密，孔隙明显缩小的趋势。当保温时间达到3 h时，中间部分颗粒连结成无孔隙的蜂窝状结构，而YSZ在第二、三小时才开始有了孔隙变小的趋势。从YSZ与CSZ图像对比，可以得出CSZ的抗烧结能力不如YSZ，热障涂层在高温下越早出现烧结现象越容易失效。通常素坯中的孔隙越多，烧结密度越低，所以相同时间下CSZ烧结后的致密度要高于YSZ。

图3 YSZ在1 300 ℃经不同烧结时间的FESEM形貌

3 结 论

(1)1 300 ℃热处理3 h后CSZ块体致密度高于YSZ；

(2)在1 300 ℃不同保温时间下，CSZ块体的烧结速率明显要快于YSZ，CSZ的抗烧结能力不如YSZ；

前期相关实验证明，CSZ涂层寿命强于YSZ。但本文实验证明CSZ抗烧结性能不如YSZ，那么如何提高CSZ的抗烧结性能，提高CSZ涂层寿命是我们今后研究的一个主要目标。

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Resistance Performance to Sintering for Y2O3-ZrO2with Nano CeO2

LI Ren-wei，HUANG Fei

(The Engineering Training Teaching Center，Northeast Dianli University，Jilin Jilin 132012)

In this paper，the materials of thermal barrier coating (TBC) are used，which are Nano agglomeragated powder ZrO2-8wt.%Y2O3(YSZ) and ZrO2-8wt.%Y2O3with 25% Nano CeO2(CSZ).It makes the same specification of compression blocks to sintering experiment control time from 1 h to 3 h at 1300 ℃.Through applying SEM and FESEM technologies，the microstructures of sintering blocks are analyzed.After 3 hours’ heat treatment，the density of YSZ block is higher than CSZ’s obviously；YSZ’s sintering degree is better than CSZ’s in 2 h and 3 h period .The result shows that after heat treatment，CSZ’s density is higher than YSZ’s at the same time，but the resistance performance to sintering for YSZ is better than CSZ’s.

Thermal barrier coating；Nano agglomerated powders；Heat treatment；Sintering process

2016-04-12

李任伟(1986-)，男，吉林省吉林市人，东北电力大学工程训练教学中心助教，硕士，主要研究方向：表面处理技术、热障涂层材料的研究.

1005-2992(2016)06-0060-04

TG174.44

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