稀土氧化物摻雜對(duì)Y3Al5O12熱障涂層材料熱膨脹性能的影響*

王炫力,劉爽,謝敏,王志剛,牟仁德,3,宋希文

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 材料與冶金學(xué)院,內(nèi)蒙古 包頭 014010;2.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 白云鄂博共伴生礦資源高效綜合利用省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心,內(nèi)蒙古 包頭 014010;3.北京航空材料研究院,北京 100095)

質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%～8% YSZ熱障涂層材料在服役溫度超過(guò)1 200 ℃時(shí)會(huì)發(fā)生相變,氧離子透過(guò)率較高,易使涂層大面積開(kāi)裂剝落,極大地限制了熱障涂層的使用壽命[1,2].釔鋁石榴石(Y3Al5O12,簡(jiǎn)稱YAG)具有優(yōu)異的高溫結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性(直至熔點(diǎn)1 970 ℃也不發(fā)生相變)和極低的氧離子透過(guò)率(相同溫度下的氧擴(kuò)散能力比YSZ 低10個(gè)數(shù)量級(jí))[3],是一種極具應(yīng)用前景的熱障涂層材料.然而,YAG的熱導(dǎo)率相對(duì)較高(～3.2 W·m-1·K-1)且熱膨脹系數(shù)相對(duì)較低(～8×10-6K-1)[4,5],這在一定程度上制約了其作為熱障涂層材料的應(yīng)用.因此,對(duì)YAG進(jìn)行改性,進(jìn)一步優(yōu)化其熱物理性能成為了釔鋁石榴石熱障涂層材料研究的重點(diǎn)方向.

研究表明[6-10],采用元素?fù)诫s的方式對(duì)YAG進(jìn)行改性,是改善其熱物理性能的有效途徑.例如,LIU等[11]人利用Er3+對(duì)YAG進(jìn)行摻雜,發(fā)現(xiàn)Y2ErAl5O12的熱導(dǎo)率最低,1 000 ℃時(shí)熱導(dǎo)率約為1.8 W·m-1·K-1,而熱膨脹系數(shù)為8.63×10-6K-1,與純YAG相比差別不大.XUE等[12]人選用具有較大離子半徑的Gd3+部分替代YAG中的Y3+,發(fā)現(xiàn)隨著Gd3+摻雜量的增加,(Y1-xGdx)3Al5O12的熱導(dǎo)率先下降后上升,x=0.2時(shí)為最低值,1 200 ℃下熱導(dǎo)率約為1.51 W·m-1·K-1.同時(shí),該課題組[13]還選用了具有較小離子半徑的Yb3+對(duì)YAG進(jìn)行摻雜,發(fā)現(xiàn)Yb3+摻雜量x=0.3時(shí),(Y0.7Yb0.3)3Al5O12的導(dǎo)熱系數(shù)最低,1 000 ℃下約為1.62 W·m-1·K-1,而Yb3+含量的變化對(duì)(Y1-xYbx)3Al5O12熱膨脹系數(shù)的影響不大.

目前,大多數(shù)文獻(xiàn)資料對(duì)于YAG摻雜改性的研究主要集中在降低其……