稀土氧化物稳定氧化铪热障涂层的制备及热冲击性能研究

李春，倪立勇，杨震晓，马康智，文波，曲栋

（航天材料及工艺研究所，北京 100076）

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热障涂层技术作为航空发动机三大技术之一，对高温合金基体材料起到隔热作用，可提高发动机的使用温度和热效率[1-3]。传统的氧化钇部分稳定氧化锆(yttria-stabilized zirconia, YSZ)涂层因具有优异的高温力学性能、较低的热导率和较高的热膨胀系数，在1200℃以下具有长服役寿命[4-6]。但当涂层的使用温度超过1200℃时，YSZ 会发生相变，在涂层中产生较大的应力[7-10]，造成涂层的剥落失效。此外，YSZ 在高温下的烧结致密化也限制了其在1200℃以上的应用[11,12]。

Hf 与Zr 同属于第四副族，HfO2与ZrO2化学性质和晶体结构十分相似，但氧化铪的相变温度更高，抗高温性能更加优异，有望用作热障涂层材料[13-17]。已有文献表明[18-20]，Y2O3等稀土氧化物掺入氧化铪，可将其稳定至立方相(cubic phase，C 相)，使得其热导率降低至1.8 W·m-1·K-1，提高其热膨胀系数至10.4×10-6K-1，与YSZ 数值接近。另外，C 相在1600℃以内具有优异的高温相稳定性[18,21]。然而，完全稳定的C 相断裂韧性比较低，导致涂层寿命显著降低[22,23]。因此，本研究通过在C 相中引入少量的单斜相(monoclinic phase，M 相) HfO2，利用双相结构来提高涂层的断裂韧性和抗烧结性能。本团队前期研究表明，当氧化钇完全稳定氧化铪（C 相）涂层中析出少量M 相时，可以大大降低涂层的烧结速率，同时涂层具有优异的断裂韧性[24]。本研究选择的材料为HfO2中掺杂19%（摩尔百分比）的稀土氧化物，因为Y3+掺杂量为0.19 的Y2O3稳定HfO2(YSH19，Hf0.81Y0.19O1.905)涂层在1300℃长期服役时，涂层中产生体积分数不超过15%的M 相。并且，Y2O3、Yb2O3共掺杂HfO2能够显著降低陶瓷的热导率，与此同时，陶瓷的抗烧结性能也得到了大幅改善，主要是因为Y3+与Yb3+之间存在较大的离子半径差异。……