关键词:
YSZ
相组成
微观结构
机械性能
空蚀机理
摘要:
氧化物陶瓷材料有韧性好、强度高、耐腐蚀和耐磨损等优良性能,但陶瓷的本征脆性限制了其在苛刻工况下的应用,因此需要对氧化物陶瓷材料进行掺杂改性,以提高其综合性能,这对提高陶瓷材料服役寿命和拓展其应用范围有重要意义。氧化锆作为常见的抗空蚀陶瓷材料,在航空航天、水力发电、船舶制造、石油化工等领域得到了广泛的应用。本文使用真空热压烧结技术制备了三种不同Y2O3掺杂量的ZrO2陶瓷(3YSZ、7YSZ和17YSZ)以及含碳3YSZ-C块体材料,研究了Y2O3掺杂量对ZrO2陶瓷性能的影响以及碳元素对3YSZ陶瓷性能的影响。通过大气等离子喷涂设备制备了两种不同的3YSZ涂层,研究了不同微观形貌的喷涂粉末对涂层的微观结构与机械性能的影响。具体内容如下:
Y2O3稳定的ZrO2(YSZ)被认为在抵抗空蚀引起的力-热耦合损伤方面有很好的前景,然而掺杂Y2O3对ZrO2的微观结构和性能影响是极其复杂的,人们对此还缺乏了解,更不用说这些因素对空蚀机理的影响。鉴于此,研究了Y2O3的不同掺杂含量(3mol%、7mol%和17mol%)对YSZ的相组成、晶粒尺寸、显微组织、密度、力学性能和空蚀性能的影响,并深入分析了其空蚀机理。结果表明,Y3+进入ZrO2晶格后有效地稳定了高温相(t、t′和c),抑制了m相的形成。随着Y3+浓度的增加,t相含量不断减少,而c的含量不断增加,3YSZ中只含有t+t′相,17YSZ中只含有t′+c相,同时,晶粒尺寸和孔隙不断增大,使材料的硬度、韧性和抗空蚀性能明显恶化。空化载荷作用下的t→m转变有效吸收了冲击能,抑制了疲劳裂纹的扩展,从而显著延缓了材料的疲劳裂纹。组织最为致密、力学性能最好、晶粒尺寸最小、t相含量最高的3YSZ抗空蚀性能最好。然而,晶粒边缘m相的不断积累,特别是空化热促进水解形成的非晶态结构,为疲劳裂纹的扩展提供了优先通道,最终导致晶粒的剥落。
球磨后的微米级粉末以及1600℃的高温条件使得真空热压炉内的碳均匀的进入了3YSZ-C陶瓷块体中,将其与去除碳的3YSZ陶瓷块体作一比较发现,碳的存在使3YSZ-C的各性能都有所提高:3YSZ-C表现出更致密的组织结构,更小的晶粒尺寸,更优的机械性能以及更高的抗空蚀性能,且3YSZ-C中大量的t′相有利于提高材料的抗裂性。由于真空热压炉内的碳均匀扩散到了3YSZ-C陶瓷块体内部,不仅抑制了其晶粒长大,还提高了其塑性变形能力,并且3YSZ-C的空蚀孕育期长达11 h,空蚀12 h后依旧存在大量的抛光表面,空蚀质量损失仅为0.1 mg。
使用大气等离子设备制备了不同微观形貌喷涂粉末的3YSZ涂层均形成了t′相ZrO2,其中3YSZ-Hosp涂层的喷涂粉体粒径更小、球形度更佳、流动性更好,因此制备得到涂层表面更为平整,孔隙更少,更为致密度。3YSZ-Hosp比3YSZ涂层的硬度提高了将近17%,且3YSZ-Hosp涂层表现出更好的韧性以及塑性变形能力,而去离子水对3YSZ涂层在表面能上的影响要大于3YSZ-Hosp涂层。3YSZ-Hosp涂层表现出优异的抗空蚀能力,与3YSZ相比,经过270 min的空蚀试验,3YSZ-Hosp涂层的质量损失减少了约53%。