论文部分内容阅读
热障涂层（TBC）广泛用于燃气轮机的高温部件表面,减少高温部件冷却气体量提高了涡轮进口温度,从而提高了燃气轮机的使用寿命和热效率。目前,7-8wt%Y2O3部分稳定的ZrO2（7-8YSZ）只能在1200℃以下使用,根本无法满足燃气轮机在更高温度下使用的需要。磁铅石结构的LaMgAl11O19（LMA）具有低的热导率,高的断裂韧性和热膨胀系数以及良好的高温热稳定性,是一种具有前景的新型TBC材料。然而,等离子喷涂制备的LMA涂层中含有较高的无定型相,在热循环过程中无定型相的重结晶影响涂层使用的可靠性。本论文着重通过优化LMA粉末的合成条件、涂层的制备工艺参数以及随后的热处理过程等方面来降低LMA涂层中的无定型相含量,以提高涂层的热循环性能。此外,对涂层的失效机理以及涂层中无定型相的重结晶机理展开研究。以La2O3、MgO和Al2O3为原料,通过固相反应在不同温度下合成LMA粉体。合成温度影响LMA粉末的纯度、晶粒尺寸和形貌。当温度介于13001550℃时,LMA为片状晶,晶粒尺寸随着合成温度的升高而增大。当LMA在1600℃下二次合成时,由于晶粒增长空间减小,部分晶粒表现为等轴晶从而降低了晶粒尺寸。合成的LMA粉末中的第二相LaAlO3以及粉体密度影响粉体喷涂过程中的熔化状态。LMA涂层中无定型相含量越高,重结晶过程中体积收缩越大,涂层热循环寿命越短。在无定型相含量相当的情况下,热循环寿命与LMA的晶粒尺寸有关。1450℃下合成的LMA粉末制备的LMA涂层中无定型相含量较低,LMA晶粒尺寸适中,因此热循环寿命最长。通过等离子喷涂技术在不同喷涂功率下制备了LMA涂层。LMA涂层中无定型相含量随着喷涂功率的上升而增加,孔隙率则与无定型相含量表现出相反的趋势。LMA涂层的结合强度和硬度随着喷涂功率由22kW上升到32kW而增大,由32kW上升到42kW而减小。热生长氧化物（TGO）以及表层与基体之间热膨胀系数不匹配导致涂层的脱落。喷涂功率为32kW时制备的涂层具有高的结合强度以及较低的无定型相含量,热循环寿命最长。通过在LMA粉末中加入不同质量分数的石墨制备多孔涂层。沉积态的涂层在700℃下热处理以除去表层中的石墨从而获得多孔结构。然而,伴随着LMA粉末中石墨含量的提高,粉体熔化状态较好,导致涂层中无定型相含量增多。此外,粉体中石墨含量越高,涂层孔隙率越大,结合强度较弱,因此涂层热循环寿命较短。当LMA涂层在900℃、1000℃以及1100℃下热处理20h后,涂层中无定型相含量随着热处理温度的升高而降低,热膨胀系数明显增大,孔隙率增多。LMA涂层900℃热处理20h后,热循环寿命相对于原始涂层提高了25%。然而,1000℃以及1100℃热处理后的LMA涂层热循环寿命相对于原始涂层没有明显变化。热处理过程中,无定型LMA涂层分别在900℃和1170℃附近析晶。LMA磁铅石结构中的La3+控制着无定型相重结晶速率,析出的LMA片状晶La元素含量越高,析晶速率越慢。