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钪/钇共掺氧化锆热物理机械性能与涂层热冲击性能研究

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传统氧化钇（6-8 wt.%）部分稳定二氧化锆（YSZ）因具有低热导率、高断裂韧性及热膨胀系数与金属基体匹配性好等优点，已被广泛应用于燃气轮机的热端部件表面，以到达隔热、抗氧化和抗腐蚀的效果。但在1200℃以上使用时，因Y3+的高温偏聚，YSZ会发生t’相到四方（t）相和立方（c）相的转变，以及随后的t和m相的转变，由于二者结构的差异会引起3~5%的体积变化，从而导致涂层中裂纹的产生及其快速失效。因此，高温下物相结构稳定的高性能热障涂层材料的开发是十分必要的。本文以Sc2O3和Y2O3共稳ZrO2（ScYSZ）陶瓷材料为基础，对其高温物相稳定性及热物理、机械性能进行了系统研究；然后基于氧空位浓度变化和阳离子质量差异的点缺陷声子散射新模型的构建，准确预测了该体系材料热导率；最后对超音速悬浮液等离子喷涂（SSPS）制备的ScYSZ涂层的高温热冲击性能进行评估。结果表明，ScYSZ陶瓷在1500℃热处理200 h仍保持100%的t’相，而YSZ中m相的含量达到50 mol.%。致密ScYSZ陶瓷块体的室温热导率为2.05~2.32 W•m-1•K-1，较YSZ降低了约20~28%，其断裂韧性和热膨胀系数与YSZ相当，弹性模量较YSZ低。此外，SSPS-ScYSZ涂层在1300℃的火焰热冲击寿命达到914次，约为相同结构YSZ涂层的2.6倍。ScYSZ较好的综合性能使其成为极具潜力的高温热障涂层材料。