热障涂层陶瓷YSZ材料性质与高温时效
作者：潘伟 著
出版时间：2018年版
内容简介
主要内容：燃气轮机和航空发动机的研发与制造是衡量一个国家先进工业制造水平的重要标准，它含涵盖了能源动力系统设计、自动化控制、先进材料制造等方面的*先进科学技术。研制专项更大功率和更高燃烧温度一直是燃气轮机发展的方向。旨在实现燃烧效率更高和环境排放更低的目标。目前先进的燃气轮机燃烧温度已超过1400？C，未来重型燃气轮机燃烧温度目标更要超过1600？C，这意味着燃气轮机中的高温结构部件将面临更加严酷的使用环境，如何设计和改进材料结构使之能够经受高温、高压、氧化、冲击磨损、环境腐蚀等多重考验成为材料工作者面临的*重要问题，为了提高高温燃气轮机的工作温度，需要对其高温结构件如叶片和燃烧室表面喷涂隔热材料来防止过热。该热障涂层需要承受高温高压、高温度梯度和化学腐蚀环境，对材料要求极为苛刻，因此研究热障涂层在高温服役状态下的长久稳定性问题具有重要的现实意义。本书介绍了商用的氧化钇稳定氧化锆（YSZ）和复合材料在高温环境下，物相组成、显微形貌和力学、热学性能的变化及其机理，以及宏观缺陷对大气等离子喷涂热障涂层热导率的影响。全书以课题组多位博士多年的工作为基础，系统阐明了低热导陶瓷材料的研究过程，对相关科研人员和大专院校师生有帮助和指导作用。
目录
目录
第1章 绪论 1
1.1 热障涂层概述 1
1.1.1 热障涂层的发展历史和应用背景 1
1.1.2 热障涂层的组成结构及材料要求 3
1.2 热障涂层材料的研究现状 6
1.2.1 现役材料——YSZ 6
1.2.2 多元氧化物稳定氧化锆 8
1.2.3 稀土锆酸盐 8
1.2.4 稀土磷酸盐 9
1.2.5 其他热障涂层材料体系 10
1.3 热障涂层的失效机理 11
1.3.1 亚稳T′相变失效 11
1.3.2 TGO生长失效 14
1.3.3 热障涂层的腐蚀失效 15
1.3.4 其他失效机制 17
参考文献 18
第2章 YSZ热障涂层相变动力学 24
2.1 亚稳T′相YSZ热障涂层高温时效相变动力学分析 24
2.1.1 YSZ相组成的XRD表征方法 24
2.1.2 T′相YSZ热障涂层不同温度时效下相组成变化 26
2.1.3 Avrami相变参数拟合 28
2.1.4 HJP分析 31
2.1.5 Raman光谱与相变的关系 32
2.2 织构对T′相YSZ相变的影响 38
2.2.1 放电等离子烧结的织构控制 38
2.2.2 不同织构度下的相组成变化 40
2.2.3 织构度与相变速率关系 44
参考文献 46
第3章 亚稳T′相YSZ高温相变与热学、力学性能关系 48
3.1 亚稳T′相YSZ高温相变的显微结构演化 48
3.1.1 物相、显微形貌及元素分布表征 48
3.1.2 相变引发的二级混合显微结构的形成 50
3.2 T′相YSZ高温时效相变对力学性能的影响 51
3.2.1 维氏硬度 52
3.2.2 弹性模量 52
3.2.3 抗弯强度 53
3.2.4 断裂韧性 55
3.3 T′相YSZ高温时效相变对热学性能的影响 57
3.3.1 相含量和密度随热处理的变化 58
3.3.2 热容随热处理的变化 59
3.3.3 热扩散系数及热导率随时效相变的变化 60
参考文献 64
第4章 四价离子掺杂8YSZ的晶格结构与相稳定性 66
4.1 8YSZ离子掺杂概述 66
4.2 材料成分设计 67
4.3 晶体结构 68
4.3.1 XRD图谱与晶格结构 68
4.3.2 极限固溶度分析 69
4.3.3 相组成 70
4.3.4 晶格常数 72
4.3.5 Raman光谱与晶格结构 73
4.3.6 晶格畸变 75
4.4 相稳定性分析 77
4.4.1 相含量 77
4.4.2 相稳定性 78
参考文献 79
第5章 四价离子掺杂8YSZ的热物理性能 81
5.1 概述 81
5.2 力学性能的表征与分析 81
5.2.1 硬度 81
5.2.2 弹性模量 82
5.2.3 断裂韧性与增韧机制 84
5.3 热学性能的表征与分析 90
5.3.1 热容的测试与计算 90
5.3.2 热扩散系数 91
5.3.3 热导率 92
5.3.4 晶格缺陷对热导率的影响 93
5.3.5 热膨胀系数 98
参考文献 99
第6章 7YSZ/LaPO4复相陶瓷材料 101
6.1 YSZ基陶瓷复合材料体系及潜在应用 101
6.1.1 YSZ基陶瓷复合材料 101
6.1.2 潜在应用——可磨耗封严热障涂层 102
6.2 7YSZ/LaPO4 复相陶瓷结构表征 103
6.2.1 XRD物相分析 103
6.2.2 显微形貌分析 104
6.3 7YSZ/LaPO4 复相陶瓷的热学性能 106
6.3.1 热容、热扩散系数及热导率 106
6.3.2 复相陶瓷的界面热阻 108
6.4 7YSZ/LaPO4复相陶瓷的力学性能 109
6.4.1 弹性模量 109
6.4.2 维氏硬度 109
6.4.3 抗弯强度 110
6.4.4 断裂韧性 111
6.5 7YSZ/LaPO4复相陶瓷的高温时效 113
6.5.1 物相随时效的变化 114
6.5.2 显微结构随时效的变化 116
6.5.3 热导率随时效的变化 117
参考文献 119
第7章 热障涂层气孔率与热导率关系模型推导 120
7.1 问题的提出 120
7.1.1 大气等离子喷涂热障涂层气孔的典型结构 120
7.1.2 气孔结构与体积分数测量方法 121
7.2 现有气孔率与热导率关系模型 124
7.2.1 现有模型汇总及与实验数据对比 125
7.2.2 模型误差分析 126
7.3 新模型建立探索 127
7.3.1 复合模型探索 127
7.3.2 气孔率分布与估算 128
7.3.3 复合模型验证 130
参考文献 131