亚稳材料论坛第195期:氧化锆热障涂层微结构的高温退化特征研究

报告题目：氧化锆热障涂层微结构的高温退化特征研究

报 告 人：王岩国，中科院物理研究所电子显微镜实验室

时 间：2018年4月4日（星期三）上午10:00

地 点：材料馆A323

报告人简介:

王岩国，1989年在中科院金属研究所获得博士学位并在中国科学院固体原子像开放实验室从事材料微结构研究，1992至1999年分别在挪威科技大学物理系、荷兰格罗宁根大学应用物理系、加拿大阿尔伯塔大学化学和材料工程系和美国西北大学材料科学与工程系从事材料微结构与物理性能关联性、复合材料制备和微结构表征，在从事半导体微结构、界面扩散和器件稳定性、功能薄膜、纳米材料微结构与相关性能的研究工作。1999年入选中国科学院百人计划，进入中科院物理研究所电子显微镜实验室从事固体微结构与物性的关联研究。研究工作的重点集中在原子分辨的尺度上分析现代功能材料的显微结构与物理性能之间的联系，利用透射扫描成像方法确定了氧化锆热障涂层的高温结构退化和相变及结构模型的研究。2001年和2004年分别应邀赴悉尼大学和香港科技大学开展有关材料微结构的合作研究工作。2005年分别被湖南大学、四川大学聘为客座教授。主持完成了科技部973计划项目的课题1项、863计划项目1项及国家自然科学基金项目5项，并参与多项973、863计划项目和国家自然科学基金重点项目的研究工作。已在国际著名学术期刊上发表论文约150篇，培养了多名博士研究生。

内容摘要：

Y₂O₃-ZrO₂热障涂层是现代航空发动机的关键材料之一。虽然Y₂O₃-ZrO₂本身的固有性能很好，机械强度高、化学性能稳定、能够抗腐蚀和抗高温热冲击，但是在高温和复杂恶劣的使用条件下，其固有的优良性能会逐渐发生退化。随着服役时间的延长，ZrO₂涂层容易断裂、失效，出现可靠性、耐用性和服役寿命方面的问题。由于材料的结构是实现材料性能的基础，热障涂层性能的退化必然与Y₂O₃-ZrO₂微结构的变化密切相关。通过分析表征不同热力学和热化学条件下热障涂层的微结构，发现Y₂O₃-ZrO₂涂层微结构既有在高温导致的变化，也有CaO-MgO-Al₂O₃-SiO₂（CMAS）腐蚀产生的变化。其中高温导致的微结构变化主要有：（1）晶界上出现大量纳米尺度的空洞（2）稳定剂Y₂O₃的扩散和不均匀分布。由富钇相Zr₂Y₂O₇的透射扫描暗场像发现其独特的结构特征，与文献报道的阳离子有序结构模型不同。在阳离子有序结构模型的基础上，进一步提出了氧空位有序结构的模型，并通过第一性原理对新结构模型进行了结构优化。根据优化的结构模型得到的模拟计算像与实验像完全对应，验证了氧空位有序结构模型。高温下CMAS腐蚀导致的涂层微结构变化主要是腐蚀性物资与热障涂层之间发生化学反应，形成大量的正长石、尖晶石和硅酸锆等多种反应产物。所形成的化合物消耗了部份ZrO₂，并取代了这些ZrO₂的位置。热障涂层中的化合物既导致热障涂层微结构的退化，同时也降低了涂层的性能。