等离子喷涂氧化钇稳定氧化锆热障涂层的导热性能与微观力学特性研究

为解决工业燃气轮机热端部件隔热问题，研究人员系统研究了等离子喷涂ZrO2–8wt%Y2O3(8YSZ)热障涂层的导热系数与断裂韧性。通过对比三种不同形态原料粉末（A&S、F&C、HOSP）制备的涂层，发现A&S粉末制备的涂层孔隙率最高（≈22%），导热系数最低（0.54W/(m·K)）；同时首次采用柱体劈裂法测得20YSZ和55YSZ涂层的本征断裂韧性均为1.39MPa√m，显著低于8YSZ的2.32MPa√m。该研究为高抗熔硅酸盐腐蚀涂层的设计提供了关键参数。

　　

在燃气轮机等高温应用场景中，金属部件需要承受1600°C以上的极端温度，热障涂层(Thermal Barrier Coatings, TBCs)作为关键隔热材料，其性能直接影响设备寿命。目前最常用的ZrO₂–8wt%Y₂O₃(8YSZ)涂层面临两大挑战：一是高y₂O₃含量的ZrO₂–20wt%Y₂O₃(20YSZ)和ZrO₂–55wt%Y₂O₃(55YSZ)虽能抵抗熔融硅酸盐(CaO–MgO–Al₂O₃–SiO₂, CMAS)腐蚀，但力学性能数据匮乏；二是不同原料粉末制备的8YSZ涂层导热性能差异机制尚不明确。

为系统解决这些问题，研究人员采用激光闪射法(LFA)和差示扫描量热法(DSC)测试了三种8YSZ涂层（分别由团聚烧结A&S、熔融破碎F&C和空心球HOSP粉末制备）的导热性能，并通过新型柱体劈裂法(pillar splitting)首次测量了高y₂O₃含量涂层的本征断裂韧性。关键技术包括：1）激光闪射法结合多层系统分析模型测量涂层热扩散系数；2）聚焦离子束(FIB)加工微米级柱体进行断裂韧性测试；3）连续刚度测量(CSM)纳米压痕技术获取弹性模量；4）图像分析法量化孔隙率变化。

3.1 单层8YSZ涂层

通过对比三种粉末制备的涂层发现，A&S粉末因内部多孔结构导致涂层孔隙率最高（22.3%），导热系数最低（0.54W/(m·K)），比F&C涂层（0.89W/(m·K)）低39%。热循环实验显示，A&S涂层的导热系数增幅最小（30次循环后仅增加61%），表明其烧结稳定性最佳。

3.2 双层涂层系统

20YSZ/8YSZ双层系统的导热系数（0.51W/(m·K)）低于55YSZ/8YSZ系统（0.61W/(m·K)），主要归因于前者更高的孔隙率（23.4%）。值得注意的是，55YSZ涂层在热循环后出现大量横向微裂纹，与其较低的断裂韧性直接相关。

3.2.2 力学性能

柱体劈裂实验揭示：8YSZ因非转变四方相(t’)的 ferroelastic toughening机制，断裂韧性达2.32MPa√m；而完全立方相的20YSZ和55YSZ韧性均降至1.39MPa√m。纳米压痕测试显示，随着Y₂O₃含量增加，弹性模量从8YSZ的233GPa降至55YSZ的212GPa。

该研究首次建立了高Y₂O₃含量YSZ涂层的力学性能数据库，证实20YSZ和55YSZ虽然导热性能优异，但断裂韧性显著降低，这解释了其作为单层涂层易早期剥落的现象。研究提出的双层结构设计（8YSZ底层+高Y₂O₃顶层）既保证了抗CMAS性能，又通过底层承担主要应力，为新一代热障涂层的开发提供了理论依据。论文发表在《Surface and Coatings Technology》，为高温涂层材料的性能优化提供了重要参考。