(Y0.2Gd0.2Dy0.2La0.2Sm0.2)TaO4高熵陶瓷材料的结构、性能及抗侵蚀行为研究.pdf
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1、为满足新一代航空发动机对新型热障涂层材料的迫切需求,以高纯氧化物为原料,按化学计量比配料,经 保温 固相反应,制备了高熵稀土钽酸盐()材料,简称为()材料。研究了材料的物相组成、显微结构、热学性能、力学性能和抗 ()侵蚀行为。结果表明:)()陶瓷材料为单斜结构,存在明显铁弹畴;)该材料经 烧后具有极低的热导率(,)和较高的热膨胀系数(,);)由于独特的铁弹增韧效应,经 烧后()材料的断裂韧性达到 ;)()与 熔体作用后形成反应层,表现出了优异的抗侵蚀性能。关键词:热障涂层;稀土钽酸盐;高熵陶瓷;抗 侵蚀中图分类号:文献标识码:文章编号:():热障涂层主要应用在航空发动机涡轮叶片等热端部件表面,
2、提升发动机使用寿命 。低热导率、高热膨胀系数、高断裂韧性和良好的抗 ()侵蚀性是热障涂层材料的重要性能指标。目前应用最广的 ()氧化钇稳定氧化锆()材料已不能满足高温使用要求 。因此,急需研发新型高温热障涂层材料代替传统 材料。稀土锆酸盐()、磷酸盐、铌酸盐具有比 更低的热导率和更好的抗 侵蚀性。然而这些材料的断裂韧性或热膨胀系数较低,阻碍了其在热障涂层中的应用。近年来,稀土钽酸盐材料因具有独特的铁弹增韧、良好的热学性能、更高的使用温度而备受关注?。等 发现 (,)的 热 导 率(?,)低于传统 材料(,)的。等 发现 (,)的热膨胀系数()为()。但是,为满足新一代大推重比航空发动机的更高要
3、求,稀土钽酸盐材料的热学和力学性能 需 要 进 一 步 改 善。目 前,稀 土 钽 酸 盐 材 料 相关报道较少,其综合性能(热学、力学、耐侵蚀性)鲜有研究。为此,在本工作中,采用固相反应法合成一种新型高熵稀土钽酸盐()材料,研究其物相组成、显微结构、热学性能、力学性能和抗 侵蚀性能,并与相关文献提到的单组元 陶瓷部分性能进行对比。试验 试样制备以纯度 ()、粒径 的高纯氧化物(、)为原料,通过高温固相反应法合成高熵稀土钽酸盐 年 月第 卷 第 期 河南省中央引导地方科技发展资金项目()。王瑞达:男,年生,硕士研究生。:通信作者:赵世贤,男,年生,博士,正高级工程师。:收稿日期:编辑:张子英
4、耐火材料 :()材料,简称“()材料”。首先,将氧化物粉末原料按照化学计量比称重即()()()()()(),放入球磨罐中球磨混合 。然后,将粉末于 烘 后进行 保温 预处理,在 的压力下将其压制成 的小圆片。最后,在高温炉中于 保温 烧成。选取 烧后试样,在 保温 的条件下进行热蚀刻工艺,用于检测晶粒分布和铁弹畴分布。性能表征采用 射线衍射仪(,靶,射线)分析烧后试样的物相组成,通过扫描电子显微镜(,)观察烧后试样的显微形貌、晶粒分布、铁弹畴分布等,通过能谱仪(,)检测试样微观区域的元素分布。按 采用全自动高温热膨胀仪()测定 烧后试样在室温至 的热膨胀系数。按 采用激光导热仪(,)检测 烧后
5、试样的热扩散系数()。在测试前试样表面喷涂石墨,以防止激光束直接穿透试样造成测量误差,随后测量 、共 个温度点的热扩散系数(),每个温度点测量 次,最终取平均值。通过 定律 计算高熵稀土钽酸盐的比热容()。按 测定 烧后试样的显气孔率和体积密度()。热导率()由热扩散系数()、比热容()与体积密度()计算得出,计算公式如下:。()因试样中的气孔会影响热导率的测定,因此,对材料的实际热导率进行如下修正:(),()式中:为实际热导率,(,为理论密度)为孔隙率。按 采用纳米压痕仪(,)测定 烧后试样的杨氏模量。按 利用显微硬度计(,)测定 烧后试样的维氏硬度。断裂韧性 计算如下:()(),()式中:
6、为断裂韧性,;为杨氏模量,;为维氏硬度标记下尖端裂纹平均长度,;为所施加的压力,;为维氏硬度,。材料脆性指数()的计算公式为:。()抗 侵蚀试验按 ()()()()称取相应氧化物,放入球磨罐中球磨混合。随后在 下保温 ,将烧后产物进行研磨,过 目()筛得到 粉体。将 粉体压成 小圆片,放置在 烧后 的()试样中心位置,一起置于马弗炉中,加热至 分别保温 、,随炉冷却后,取出,沿中线切割得到含有()基体与 的截面。采用 结合 分析()试样的抗 侵蚀性。结果与讨论 物相组成和显微结构经 烧后()试样的 图谱见图 。由图可见,时,与单斜相 比对,发现所有试样有一一对应的衍射峰。说明在高温()下固相反
7、应成功制备出了具有单斜相结构的稀土钽酸盐材料。试验过程中发现温度对试样烧结性影响较大,其中 、烧后()试样的显气孔率分别为 、,为避免气孔对随后测试产生影响,选取较为致密的 烧后试样进行探讨。图 经 烧后()试样的 图谱 ()图 为经 烧后再经 保温 热处理后()试样中的晶粒分布图和铁弹畴分布图。表 示出经 烧后()试耐火材料 年第 卷 :耐火材料 样与单组元 (、)陶瓷的空间结构、晶粒尺寸、体积密度和显气孔率对比。可知,()具有与单组元 相同的空间结构,但由于烧结温度高,其晶粒尺寸发生较明显的长大 。此外,在热腐蚀后晶粒表面观察到铁弹畴,铁弹畴的存在能够有效偏转裂纹,吸收断裂能,提高材料 的
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