趙泓旭，鄧春明，付朗,3，鄧子謙，陳小龍

用于熱障涂層的鋯酸釓材料研究進(jìn)展

趙泓旭1,2，鄧春明2，付朗2,3，鄧子謙2，陳小龍1

（1.暨南大學(xué) 先進(jìn)耐磨蝕及功能材料研究院，廣州 510632；2.廣東省科學(xué)院新材料研究所 現(xiàn)代材料表面工程技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室 廣東省現(xiàn)代表面工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510650；3.華南理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣州 510640）

為了滿足新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能要求，需要開發(fā)出能在超高溫條件下服役的熱障涂層材料。近年來已有多種陶瓷材料被證實(shí)在熱障涂層領(lǐng)域具有發(fā)展前景，在這之中，稀土鋯酸鹽材料有著高溫下熱導(dǎo)率較低與穩(wěn)定性良好的特點(diǎn)，其中又以鋯酸釓材料的熱導(dǎo)率最低，熱膨脹系數(shù)最高。概述了鋯酸釓材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)其在高溫下發(fā)生的有序無序轉(zhuǎn)變進(jìn)行了介紹，總結(jié)了原因及變化規(guī)律。簡要分析了與其他材料相比，鋯酸釓材料具有良好熱性能的原因；歸納了粉末制備過程中常用的兩種方法：固相法與液相法，在此基礎(chǔ)上，總結(jié)了近年來不同制備方法與粉末團(tuán)聚過程中工藝與參數(shù)的研究現(xiàn)狀；最后，提出了鋯酸釓材料在實(shí)際應(yīng)用到熱障涂層時(shí)存在的缺陷：斷裂韌性與熱膨脹系數(shù)較低，這就導(dǎo)致了單層鋯酸釓?fù)繉映尚坞y度大，熱循環(huán)壽命低。針對(duì)這一問題，重點(diǎn)綜述了國內(nèi)外對(duì)鋯酸釓材料及熱障涂層的改性方法，主要有摻雜改性、材料復(fù)合、涂層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及涂層制備技術(shù)，同時(shí)展望了新型熱障涂層材料結(jié)合先進(jìn)制備技術(shù)的發(fā)展趨勢。

熱障涂層；鋯酸釓；粉末制造；材料改性；涂層結(jié)構(gòu)；等離子噴涂-物理氣相沉積

先進(jìn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)是體現(xiàn)一個(gè)國家科技水平、工業(yè)基礎(chǔ)以及綜合國力的重要標(biāo)志之一。為了提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，就要對(duì)渦輪進(jìn)口燃?xì)鉁囟忍岢龈咭?。通常來講，推重比為10的一級(jí)渦輪前進(jìn)口溫度為1950 K左右，推重比為12～15的一級(jí)渦輪前進(jìn)口溫度則為2100 K以上，而當(dāng)推重比提高至15～20時(shí)，進(jìn)口溫度將達(dá)到2350 K以上[1]。因此，在發(fā)展具有更高推重比、更高熱效率的航空發(fā)動(dòng)機(jī)這一過程中，越來越高的渦輪進(jìn)口溫度成為了研究人員必須解決的一個(gè)問題。

目前，一些關(guān)鍵的發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件，如渦輪葉片（包括導(dǎo)向葉片、工作葉片），常用的基體材料鎳基高溫合金工作溫度大約在1100 ℃左右[2]，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪進(jìn)口溫度。因此，為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的服役溫度，可以采用以下3種方法：一是發(fā)展更耐高溫的基體材料；二是通過氣膜冷卻技術(shù)降低基體表面溫度；三是在基體表面制備低熱導(dǎo)率的熱障涂層[3]，這3類技術(shù)也被稱為先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片3大關(guān)鍵技術(shù)。

對(duì)于熱障涂層來說，其優(yōu)異的隔熱性能主要取決于表面陶瓷層材料。傳統(tǒng)的(6%～8%)Y2O3-ZrO2（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（YSZ）熱障涂層陶瓷層材料由于只適合在1200 ℃以下長期使用，而在更高的工作溫度下，就有可能出現(xiàn)相變失效、燒結(jié)嚴(yán)重等問題[4]，因此需要開發(fā)具有更高使用溫度、更低熱導(dǎo)率、與基體熱膨脹系數(shù)相匹配以及高溫條件下相穩(wěn)定性良好的熱障涂層陶瓷層材料。

1 新型熱障涂層陶瓷層材料

熱障涂層材料，尤其是陶瓷層材料需要滿足以下幾點(diǎn)性能要求[5]：高熔點(diǎn)、低熱導(dǎo)率、與基體匹配的熱膨脹系數(shù)、較高的斷裂韌性、高應(yīng)變?nèi)菹?、高溫下無相變、良好的耐腐蝕性能以及較低的燒結(jié)率。目前，仍沒有一種單一體系的陶瓷材料能完美滿足上述所有要求，隨著先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展，開發(fā)新一代熱障涂層材料的需求越來越迫切，下面介紹了近年來已被證實(shí)具有廣闊應(yīng)用前景的幾種陶瓷層材料體系。

1.1 稀土鋯酸鹽

稀土鋯酸鹽（Ln2Zr2O7，Ln為稀土元素）按晶體結(jié)構(gòu)分類有燒綠石和缺陷螢石2種結(jié)構(gòu)，在1200 ℃以上的高溫條件下表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性與較低的熱導(dǎo)率，是一種頗具應(yīng)用潛力的熱障涂層材料。

具有燒綠石結(jié)構(gòu)的稀土鋯酸鹽典型代表有La2Zr2O7(LZ)和Gd2Zr2O7(GZO)，它們?cè)谥辽?500 ℃的高溫下仍然保持相穩(wěn)定[6]，且具有較低的熱導(dǎo)率與燒結(jié)速率。具有缺陷螢石結(jié)構(gòu)的稀土鋯酸鹽典型代表如Dy2Zr2O7也是一種很有應(yīng)用前景的TBC材料，與YSZ相比具有更低的熱導(dǎo)率與更高的熱膨脹系數(shù)。

1.2 稀土六鋁酸鹽

稀土六鋁酸鹽具有低熱導(dǎo)率、合適的熱膨脹系數(shù)等特點(diǎn)，尤其在1100 ℃以上時(shí)，與YSZ相比不僅熱導(dǎo)率更低，抗燒結(jié)性能也更好[7]，是一類新興的熱障涂層材料。其中研究最多的是具有磁鉛石結(jié)構(gòu)的層狀鎂基六鋁酸鑭（LaMgAl11O19，簡稱LMA），它具有與氧化鋁相似的熱膨脹行為，因此能與熱生長氧化層（TGO）產(chǎn)生良好匹配。另一方面，LMA的層狀結(jié)構(gòu)使其具有較低的熱導(dǎo)率及彈性模量[8]，同時(shí)還有著較長的熱循環(huán)壽命。

1.3 稀土元素?fù)诫s氧化鋯

稀土氧化物R2O3摻雜氧化鋯會(huì)引入缺陷，使材料的熱導(dǎo)率降低。根據(jù)聲子散射模型分析熱導(dǎo)率變化規(guī)律的結(jié)果表明[9]，隨著摻雜離子半徑由Sc至La逐漸增大，材料熱導(dǎo)率的減小趨勢幾乎呈線性。這是因?yàn)殡S著摻雜離子的半徑與主體晶體結(jié)構(gòu)的陽離子半徑相差越大，聲子散射效果會(huì)越強(qiáng)，最終導(dǎo)致了熱導(dǎo)率的降低。另外，摻雜R2O3還可以提高涂層的抗燒結(jié)能力，隨著摻雜離子半徑由Er至La逐漸增大，涂層的抗燒結(jié)性能越來越好。這是因?yàn)閾诫s離子的半徑與主體晶體結(jié)構(gòu)的陽離子半徑相差越大，離子擴(kuò)散系數(shù)越低，與對(duì)熱導(dǎo)率的影響作用類似[10]。

1.4 鈣鈦礦

ABO3型鈣鈦礦結(jié)構(gòu)中A位和B位的離子半徑即使發(fā)生較大變化，也不會(huì)影響其晶體結(jié)構(gòu)。因此，可以在保證鈣鈦礦基本結(jié)構(gòu)不變的情況下廣泛地引入各種金屬離子，其中某些材料在熱障涂層領(lǐng)域就有著潛在的應(yīng)用價(jià)值。

鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的陶瓷材料熔點(diǎn)較高，且具有合適的熱導(dǎo)率與熱膨脹系數(shù)，如SrZrO3陶瓷材料的熔點(diǎn)能達(dá)到2800 ℃，熱導(dǎo)率為2.3 W/(m·K)，熱膨脹系數(shù)為10.9×10?6K?1，是一類合格的熱障涂層材料[6,11]。但是，許多鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的陶瓷材料均會(huì)在1400 ℃左右發(fā)生明顯相變[12]，對(duì)于這一情況，可采用氧化物摻雜等方法來改善ABO3陶瓷材料的高溫穩(wěn)定性。

1.5 其他材料

稀土鈰酸鹽是一種新興的熱障涂層體系，由于CeO2的熔點(diǎn)比ZrO2低得多，因此鈰酸鹽的熱膨脹系數(shù)大多都高于相應(yīng)的鋯酸鹽，而且在鈰酸鹽的晶體結(jié)構(gòu)中存在著大量的氧空位，這有利于聲子的散射，獲得較低的熱導(dǎo)性能[13]。Ce完全取代鋯酸鑭中的Zr元素形成的缺陷螢石結(jié)構(gòu)La2Ce2O7（LC）就是一種典型的稀土鈰酸鹽熱障涂層材料[14]，具有低熱導(dǎo)率和接近于粘結(jié)層的熱膨脹系數(shù)的優(yōu)點(diǎn)，在熱循環(huán)測試中，LC的熱循環(huán)壽命與傳統(tǒng)YSZ涂層相當(dāng)，且過程中不發(fā)生相變。

稀土鉭酸鹽作為熱障涂層材料有3個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：具有比YSZ更高的斷裂韌性，較低的熱導(dǎo)率以及較高的相穩(wěn)定性。研究表明[15-16]，稀土鉭酸鹽YTaO4在1430 ℃時(shí)由單斜相轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆较啵萗SZ的轉(zhuǎn)變溫度高260 ℃。另外，通過使用其他稀土元素或Nb替代YTaO4中的Y元素，可以進(jìn)一步降低稀土鉭酸鹽的熱導(dǎo)率。

莫來石（3Al2O3·2SiO2）是一種重要的陶瓷材料，作為熱障涂層使用時(shí)，具有較低的熱導(dǎo)率，較高的熱穩(wěn)定性，氧透過率低，耐腐蝕以及抗蠕變性能良好等特點(diǎn)[17]。當(dāng)基體材料為SiC時(shí)，莫來石有著較匹配的熱膨脹系數(shù)。在工作溫度較低且涂層兩側(cè)溫差較大時(shí)，莫來石表現(xiàn)出了比YSZ更優(yōu)異的性能。

2 鋯酸釓材料

鋯酸釓（Gd2Zr2O7）是稀土鋯酸鹽的一種，在熱障涂層、核廢料固化基材、固體氧化物電池電解質(zhì)等領(lǐng)域均有應(yīng)用。2004年，Vassen等[6]首次報(bào)道了稀土鋯酸鹽在熱障涂層中的應(yīng)用，在這之后人們發(fā)現(xiàn)，熱導(dǎo)率低于YSZ的眾多陶瓷材料中，稀土鋯酸鹽有著最低的熱導(dǎo)率[18]，而在A2B2O7型稀土鋯酸鹽中，鋯酸釓又有著最低的熱導(dǎo)率與最高的熱膨脹系數(shù)。由于其優(yōu)異的隔熱性能及高溫穩(wěn)定性，近年來關(guān)于鋯酸釓在熱障涂層領(lǐng)域的研究報(bào)道接連不斷，在人們對(duì)新型熱障涂層強(qiáng)烈需求的推動(dòng)下，鋯酸釓材料的研究方興未艾。

2.1 鋯酸釓材料結(jié)構(gòu)

鋯酸釓的晶體結(jié)構(gòu)與燒綠石相同，因此也被稱為燒綠石型化合物，其在高溫下會(huì)發(fā)生相變，轉(zhuǎn)變?yōu)槿毕菸炇Y(jié)構(gòu)，二者的相變溫度為1530 ℃，遠(yuǎn)高于YSZ的相變溫度（約1200 ℃）。文獻(xiàn)[19]中對(duì)燒綠石與螢石結(jié)構(gòu)的晶體學(xué)特征進(jìn)行了詳細(xì)介紹，二者均為面心立方結(jié)構(gòu)，其中燒綠石結(jié)構(gòu)屬于Fd3ˉm(227)空間群，而缺陷型螢石結(jié)構(gòu)則屬于Fm3ˉm(225)空間群。圖1顯示了2種結(jié)構(gòu)中陰陽離子的排列規(guī)律[20]，可以看出，在燒綠石結(jié)構(gòu)中，陽離子通常占據(jù)著16d位置，可與8個(gè)O2?配位形成立方體。Zr4+則位于16c位置，可與6個(gè)O2?配位形成八面體；而在螢石結(jié)構(gòu)中，O2?僅有一種晶體學(xué)位置，且處于周圍陽離子的中心。

2.2 鋯酸釓材料的有序無序轉(zhuǎn)變

低溫條件下的燒綠石結(jié)構(gòu)鋯酸釓可以看作是一種有序的缺陷螢石結(jié)構(gòu)，伴隨著溫度升高，燒綠石結(jié)構(gòu)的無序度增加，在到達(dá)一定的轉(zhuǎn)變溫度后，晶體結(jié)構(gòu)開始發(fā)生有序到無序的轉(zhuǎn)變，最終形成無序的缺陷螢石結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生這種轉(zhuǎn)變可能有溫度、結(jié)構(gòu)和壓力3個(gè)方面的原因[3]。

A2B2O7型稀土鋯酸鹽的轉(zhuǎn)變溫度與稀土陽離子和鋯離子之間的離子半徑比有關(guān)，隨著稀土陽離子半徑逐漸增大，轉(zhuǎn)變溫度逐漸升高。根據(jù)文獻(xiàn)[19,21]報(bào)道，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，稀土鋯酸鹽形成穩(wěn)定燒綠石結(jié)構(gòu)的條件為：1.46≤(A3+)/(Zr4+)≤1.78；當(dāng)(A3+)/(Zr4+)<1.46時(shí)，則形成缺陷螢石結(jié)構(gòu)。Rushton等[22]通過計(jì)算機(jī)模擬，從團(tuán)簇形成能的角度預(yù)測了多種稀土鋯酸鹽材料的有序無序轉(zhuǎn)變溫度，結(jié)果如圖2所示，隨著稀土陽離子半徑的增大，發(fā)生有序無序轉(zhuǎn)變所需要的無序化能量與溫度逐漸增加，這與前述的變化規(guī)律相符。

圖1 燒綠石與螢石結(jié)構(gòu)[20]

圖2 稀土鋯酸鹽有序無序轉(zhuǎn)變溫度預(yù)測[23]

鋯酸釓材料的有序無序轉(zhuǎn)變除了與溫度和材料結(jié)構(gòu)有關(guān)以外，還會(huì)受到壓力的影響。Zhang等[23]采用X射線衍射結(jié)合拉曼光譜，研究了室溫條件下高壓對(duì)燒綠石結(jié)構(gòu)鋯酸釓相變行為的影響。結(jié)果表明，當(dāng)壓力達(dá)到15.3 GPa時(shí)，有序的燒綠石結(jié)構(gòu)開始向無序的缺陷型螢石結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，這說明一定的壓力會(huì)增加結(jié)構(gòu)無序度，從而引起材料結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。

2.3 鋯酸釓材料的熱性能

鋯酸釓在高溫下表現(xiàn)出了良好的熱性能，與常見熱障涂層材料比較的結(jié)果如表1所示[24-28]。實(shí)際上，不同報(bào)道中鋯酸釓的熱導(dǎo)率與熱膨脹系數(shù)均存在一定的差別，主要是制備工藝、測試條件、材料致密度不同導(dǎo)致的，但無論選擇何種實(shí)驗(yàn)方案，鋯酸釓的熱導(dǎo)率都比YSZ更低，并且在高溫下相穩(wěn)定性良好。這種優(yōu)異的隔熱性能取決于鋯酸釓的晶體結(jié)構(gòu)，每一個(gè)分子單元之中都存在著一個(gè)氧空位，高濃度的氧空位使聲子散射作用增強(qiáng)，聲子平均自由能變短，從而降低了鋯酸釓的熱導(dǎo)率。

表1 常見熱障涂層材料的熱導(dǎo)率（1000 ℃）及熱膨脹系數(shù)（30～1000 ℃）比較

Tab.1 Comparison of thermal conductivity (1000 ℃) and thermal expansion coefficient (30～1000 ℃) of common thermal barrier coating materials

3 鋯酸釓粉末制備

粉末原料是進(jìn)行熱噴涂、制備熱障涂層的基礎(chǔ)，粉末的粒徑、成分、形貌、流動(dòng)性、團(tuán)聚結(jié)合強(qiáng)度等指標(biāo)直接決定了熱障涂層的性能好壞。因此，為了獲得高性能的熱障涂層，需要對(duì)粉末的制備工藝進(jìn)行選擇，并探究制備過程中的最佳工藝參數(shù)，從而達(dá)到控制粉末性能的目的。

3.1 粉末制備方法

常見的粉末制備方法有固相法和液相法2種。其中固相法就是原料在固相狀態(tài)時(shí)直接發(fā)生反應(yīng)得到所需的固態(tài)化合物。按其加工的工藝特點(diǎn)又可分為機(jī)械粉碎法和高溫固相法2類。機(jī)械粉碎法是用粉碎機(jī)將原料直接粉碎研磨成超細(xì)粉，而高溫固相法則是把金屬鹽或金屬氧化物按配方比例充分混合，經(jīng)研磨后再進(jìn)行煅燒發(fā)生固相反應(yīng)，直接得到或再研磨后得到超細(xì)粉[29]。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是成本低、工藝簡單、粉體無團(tuán)聚、填充性好，缺點(diǎn)是反應(yīng)速率較慢、粉體粒徑偏大、易混入雜質(zhì)、成分偏析嚴(yán)重等。

液相法是指將原料溶于溶液中后，通過各種反應(yīng)得到目標(biāo)產(chǎn)物的方法，主要用于氧化物或復(fù)合氧化物超細(xì)粉末的制備。該方法通常需要選擇一種或多種合適的可溶性金屬鹽類，按目標(biāo)材料的組成計(jì)算并配制溶液，使溶液中各元素呈離子或分子態(tài)，此時(shí)向溶液中添加合適的沉淀劑或采用蒸發(fā)、升華、水解等操作，使金屬離子均勻沉淀或結(jié)晶出來，最后將沉淀或結(jié)晶出的產(chǎn)物通過脫水或是加熱分解等方法得到所需粉末原料。根據(jù)制備過程中的工藝區(qū)別，液相法又可分為以下3種。

沉淀法：是指在含有2種或2種以上組分（陽離子）的溶液中，加入沉淀劑，經(jīng)沉淀反應(yīng)得到成分均一的沉淀，煅燒后獲得目標(biāo)粉體的方法。沉淀法的反應(yīng)溫度較低，獲得的粉末粒徑較小，成分、性能均勻，適合大批量生產(chǎn)[30]。

水熱法：在封閉的壓力容器中，原始粉末在高溫、高壓的環(huán)境下溶解、再結(jié)晶，可制得形貌、粒徑可控，晶粒完整、團(tuán)聚較輕的粉末[31]。另外，水熱法制備得到的粉體不需要經(jīng)過高溫煅燒處理，這就避免了在煅燒過程中出現(xiàn)晶粒長大、雜質(zhì)引入以及缺陷形成的問題，因此制備出的粉體具有較高的燒結(jié)活性。但是，水熱法的技術(shù)難度較大，只適合制備少量的粉末，難以用作大規(guī)模生產(chǎn)。

溶膠-凝膠法：用含高化學(xué)活性組分的化合物作為前驅(qū)體，在液相狀態(tài)下將其均勻混合，并發(fā)生水解、縮合反應(yīng)，得到短時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定的溶膠體系。由于膠粒具有自動(dòng)粘結(jié)變大的趨勢，一段時(shí)間后，膠體粒子發(fā)生聚合，固化形成凝膠，再將獲得的凝膠干燥燒結(jié)即可得到目標(biāo)粉體。溶膠-凝膠法制備的粉體粒徑小，成分可控，但制備過程耗時(shí)較長，原料成本較高，同樣難以用于批量生產(chǎn)。

采用固相法或者液相法制備出的粉末流動(dòng)性較差，粒徑較小，難以送入焰流的中心高溫區(qū)域，且噴涂過程中易被氣流吹散并燒蝕，不能直接用于熱噴涂[32]。所以，粉末需要進(jìn)一步通過球磨混粉、噴霧干燥團(tuán)聚和高溫?zé)Y(jié)等過程再造粒成滿足熱噴涂尺寸要求的微米級(jí)顆粒。

3.2 鋯酸釓粉末制備研究現(xiàn)狀

鋯酸釓粉末常用的制備方法為高溫固相法與共沉淀法，關(guān)于這2種方法雖然已經(jīng)有過大量的研究報(bào)道，但是，即使選擇了同一種制備方法，在制備過程中的具體工藝與參數(shù)控制也不盡相同。因此，下面將從不同的制備方法出發(fā)，簡要總結(jié)近年來在鋯酸釓粉末制備方面取得的成果。

高溫固相法是制備粉末的一種簡單有效的方法，在2005年，劉燕祎等[33]報(bào)道了高溫固相法合成鋯酸釓粉末的研究實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)以ZrO2和Gd2O3粉末為原料，分別在不同溫度下（1000～1600 ℃）進(jìn)行混合原料的燒結(jié)并對(duì)合成產(chǎn)物進(jìn)行XRD分析。結(jié)果表明，2種原料在1200 ℃時(shí)開始發(fā)生固相固溶反應(yīng)，1400 ℃時(shí)固溶飽和，開始析出Gd2Zr2O7相，并于1500 ℃時(shí)固溶結(jié)束。1570 ℃左右為鋯酸釓相變點(diǎn)，材料逐漸由燒綠石相轉(zhuǎn)變?yōu)槿毕菸炇?。唐敬友等[34]在高溫固相法的基礎(chǔ)上增加了高壓條件，在5.2 GPa壓力，1200～1600 ℃溫度下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，成功在5.2 GPa和1600 ℃條件下制備出單一物相的立方燒綠石結(jié)構(gòu)的鋯酸釓材料，該方法與常壓條件下的高溫固相法相比，縮短了反應(yīng)時(shí)間，提高了制備效率。候晨曦等[29]在之前的研究基礎(chǔ)[35-39]上又采用了L16(45)標(biāo)準(zhǔn)正交試驗(yàn)方法探究燒結(jié)溫度、保溫時(shí)間、成形壓力3個(gè)指標(biāo)在高溫固相法制備鋯酸釓實(shí)驗(yàn)中的最佳工藝參數(shù)并得到結(jié)論：3種工藝指標(biāo)對(duì)燒結(jié)效果的影響大小依次為燒結(jié)溫度、成形壓力、保溫時(shí)間，當(dāng)燒結(jié)溫度為1500 ℃，成形壓力為15 MPa，保溫時(shí)間為72 h時(shí)為最佳工藝參數(shù)，此時(shí)制備出的樣品晶粒大小均勻，具有較高的結(jié)晶度、致密度。

與高溫固相法相比，共沉淀法更適合大批量生產(chǎn)。馬偉民等[40]為了解決固相法難以控制粉體粒徑的問題，以氨水為沉淀劑采用反向滴定共沉淀法制備鋯酸釓納米粒子。實(shí)驗(yàn)確定的最佳工藝條件為：母鹽溶液初始濃度為0.01 mol/L，表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%～2%，在體系溫度為0 ℃，pH=11時(shí)產(chǎn)生白色絮狀沉淀物，將沉淀物清洗、干燥、球磨后，經(jīng)1100 ℃保溫3 h煅燒得到流動(dòng)性良好的缺陷螢石結(jié)構(gòu)鋯酸釓。Hadavi等[41]同樣以氨水為沉淀劑滴定含有Gd3+與Zr2+的混合溶液，在pH>11時(shí)發(fā)生沉淀反應(yīng)，干燥煅燒后得到的納米粉體，經(jīng)過再造粒工序后可用于APS噴涂。Zhu等[18]在近期也提出了共沉淀法制備鋯酸釓粉末的最優(yōu)條件：以乙醇為溶劑，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的SDBS，在pH=10時(shí)攪拌發(fā)生反應(yīng)，沉淀物煅燒溫度為1100 ℃，晶粒生長激活能高于傳統(tǒng)的YSZ材料。

除了高溫固相法和共沉淀法，還有一些經(jīng)過改進(jìn)的方法也可用于鋯酸釓粉末的制備。Zhang等[42]在制備鋯酸釓陶瓷的過程中采用了溶劑熱法，Qi等[43]在實(shí)驗(yàn)中改進(jìn)了共沉淀法來進(jìn)行鋯酸釓粉末的制備，并嘗試改進(jìn)了液固相轉(zhuǎn)移法（LSS）以合成鋯酸釓納米粒子[44]，這種方法可以將納米粉末產(chǎn)率提高至89%。除此之外，還有將組成氧化物按化學(xué)計(jì)量比混合球磨直接制得燒綠石結(jié)構(gòu)鋯酸釓粉末的機(jī)械研磨法[45]，但由于此方法得到的粉末粒徑分布不均勻，綜合性能較差，限制了它的應(yīng)用。

通過各種工藝制備得到的鋯酸釓原始粉末可用于高放廢料的固化基材、熱障涂層材料、固體電解質(zhì)、催化劑以及熒光底物[46]。但想通過熱噴涂工藝最終用于熱障涂層系統(tǒng)中，納米結(jié)構(gòu)的原始粉末仍然存在著許多問題[47]。因此，在進(jìn)行噴涂前，還需要對(duì)原始粉末再造粒成滿足熱噴涂尺寸要求的微米級(jí)粉末。再造粒的步驟如圖3所示，將原始粉末與去離子水混合研磨，制成一定固含量的鋯酸釓液料，再向其中加入粘結(jié)劑與分散劑，混合均勻后通過噴霧造粒機(jī)獲得團(tuán)聚粉末，最后將產(chǎn)物煅燒以排出其中的有機(jī)質(zhì)，得到可用于熱噴涂的鋯酸釓粉末。在這一過程中，需要控制的變量通常有初始固含量、粘結(jié)劑以及分散劑含量。張榕貴[48]確定的較優(yōu)參數(shù)為初始固含量為50%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），粘結(jié)劑PVA的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.0%，制得的粉末呈表面光滑無缺陷的球形，具有較好的流動(dòng)性與填充性，高溫煅燒后可進(jìn)一步提高粉末致密度，使粒徑縮小20%以上。其他研究[18]中也有對(duì)最優(yōu)參數(shù)的探討，當(dāng)固含量為65%，粘結(jié)劑PVP含量為8%，分散劑PAA含量為6%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時(shí)制得的Gd2Zr2O7顆粒為中空核殼結(jié)構(gòu)，平均粒徑更小，適合作為噴涂原料。

圖3 噴霧造粒工藝示意[18]

4 鋯酸釓熱障涂層

鋯酸釓材料雖然有著熱導(dǎo)率低、熱膨脹系數(shù)高、高溫下無相變、耐腐蝕性較好等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也有著不可忽視的缺陷，即鋯酸釓材料的斷裂韌性較低，熱膨脹系數(shù)低于傳統(tǒng)YSZ材料[49]。這就導(dǎo)致了單層鋯酸釓?fù)繉佑兄尚坞y度大、高溫下易剝落以及熱循環(huán)壽命低等缺陷。因此，在實(shí)際應(yīng)用中需要通過摻雜改性或者結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方法改善鋯酸釓?fù)繉拥臄嗔秧g性，提高涂層綜合性能。同時(shí)，為了獲得高性能的熱障涂層，除了從材料與結(jié)構(gòu)等方面入手以外，還可以嘗試采用先進(jìn)的涂層制備技術(shù)。

4.1 摻雜改性

摻雜改性是指在材料原有的晶體結(jié)構(gòu)中，引入其他元素，從而使晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，以達(dá)到改進(jìn)性能的目的。對(duì)鋯酸釓材料來說，引入某些元素，會(huì)在晶格中的特定位置發(fā)生取代反應(yīng)，導(dǎo)致鋯酸釓晶格參數(shù)發(fā)生改變，材料成分出現(xiàn)變化，材料性能也隨之得到改變。按照摻雜位置的不同，可以將鋯酸釓摻雜改性的類型分為3種，分別為：Gd位摻雜、Zr位摻雜以及Gd位與Zr位共摻雜。

4.1.1 Gd位摻雜

摻雜Yb元素。摻雜Yb2O3引入Yb3+可以顯著地改善鋯酸釓材料的綜合熱性能，并可能對(duì)材料的斷裂韌性有著增強(qiáng)效果。Guo等[50]通過固相反應(yīng)合成了(Gd1?xYb)2Zr2O7（=0、0.1、0.3、0.5、0.7）陶瓷塊體，并研究了它們的熱導(dǎo)率和熱膨脹系數(shù)，結(jié)果如圖4所示。摻雜Yb2O3后的鋯酸釓在1400 ℃時(shí)的熱導(dǎo)率降低了約20%，其中(Gd0.9Yb0.1)2Zr2O7表現(xiàn)出最低的熱導(dǎo)率，而熱膨脹系數(shù)則在1200 ℃時(shí)與YSZ相當(dāng)甚至更大。以這項(xiàng)研究為基礎(chǔ)，又總結(jié)出了鋯酸釓相結(jié)構(gòu)隨Yb摻雜量的變化規(guī)律[51]，當(dāng)摻雜量≤0.06時(shí)材料為有序的燒綠石結(jié)構(gòu)，隨著摻雜量的不斷升高，晶體結(jié)構(gòu)有序度降低并逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闊o序的缺陷螢石結(jié)構(gòu)。

關(guān)于Yb2O3的增韌效果，目前尚未有文獻(xiàn)報(bào)道，推測的增韌機(jī)理為：隨著Yb3+的引入，晶格發(fā)生扭曲且結(jié)構(gòu)無序度增加，從而引起斷裂能量的提高，斷裂韌性得到了增強(qiáng)。

圖4 (Gd1?xYbx)2Zr2O7(x=0、0.1、0.3、0.5、0.7）陶瓷的熱導(dǎo)率(a)和熱膨脹系數(shù)(b)[50]

摻雜Sc元素。Guo等[52]采用化學(xué)共沉淀法制備了摻雜Sc2O3的(Gd1?xSc)2Zr2O7（=0、0.025、0.05、0.075、0.1、0.2）陶瓷塊體。引入Sc元素后，材料在≤0.075時(shí)仍為燒綠石結(jié)構(gòu)，但當(dāng)從0.075增加到0.1時(shí)，開始發(fā)生燒綠石-螢石相轉(zhuǎn)變，并且隨著Sc2O3含量的提高，鋯酸釓材料斷裂韌性增大。除此之外，Guo等[53]還嘗試了在Gd位進(jìn)行Yb與Sc共摻雜，研究表明，僅摻雜Sc的樣品斷裂韌性均有提升，而Yb和Sc共摻雜有利于熱導(dǎo)率的降低，(Gd0.865Sc0.075Yb0.06)2Zr2O7表現(xiàn)出最低的熱導(dǎo)率，比未摻雜樣品低約30%。

摻雜Mg元素。Dong等[54]期望通過添加堿土金屬M(fèi)g來改善鋯酸釓材料的熱性能。研究表明，通過APS制備出的(Gd1?xMg)2Zr2O7涂層具有較低的熱導(dǎo)率以及較高的熱輻射性能，涂層的綜合隔熱性能得到了改善。

4.1.2 Zr位摻雜

摻雜Th元素。Xiao等[55]研究了Th摻雜的Gd2?yThZr2O7和Gd2Zr2?yThO7化合物的力學(xué)性能與熱性能，發(fā)現(xiàn)摻雜后的鋯酸釓材料尤其是Zr位摻雜的Gd2Zr2?yThO7具有比純態(tài)更好的力學(xué)性能、更低的熱導(dǎo)率以及更高的熱膨脹系數(shù)。

摻雜Ti元素。在Zr位摻雜Ti元素會(huì)使燒綠石結(jié)構(gòu)變形，從而改善材料的熱物理性能，增強(qiáng)在特定波段內(nèi)的紅外吸收能力，經(jīng)過Ti元素?fù)诫s改性的鋯酸釓材料有作為高溫隔熱材料的潛力。Pan等[56]研究了Gd2(Zr1?xTi)2O7（=0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5）陶瓷塊體的結(jié)構(gòu)與熱物理性能，確定了當(dāng)=0.3時(shí)彈性模量最小，同時(shí)具有最大的熱膨脹系數(shù)。另外，Ti4+的引入導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)的長程有序化以及局部晶格畸變，顯著降低了材料的低溫?zé)釋?dǎo)率。

摻雜Nb與Cu元素。根據(jù)摻雜離子的價(jià)態(tài)不同，摻雜方式又可分為等價(jià)替代與非等價(jià)替代。目前，大多數(shù)研究都集中在對(duì)材料原有結(jié)構(gòu)的等價(jià)替代上，對(duì)非等價(jià)替代的研究則相對(duì)較少。Song等[57]以此為出發(fā)點(diǎn)，選擇了不等價(jià)的Nb5+與Cu2+共同取代Gd2Zr2O7中的Zr4+。實(shí)驗(yàn)制備了Gd2(Zr1?3x/2NbCu/2)2O7（=0、0.05、0.1、0.15、0.2、0.25）陶瓷塊體進(jìn)行性能表征，材料呈現(xiàn)立方燒綠石結(jié)構(gòu)，晶界清晰，晶胞致密。Nb5+與Cu2+的摻雜引起了晶格畸變，結(jié)構(gòu)有序度增加，這些因素導(dǎo)致了點(diǎn)缺陷的產(chǎn)生，由于點(diǎn)缺陷可以作為聲子散射的中心，因此它對(duì)聲子平均自由程的減少起到了一定的作用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果則印證了這一觀點(diǎn)，引入Nb與Cu元素后材料熱膨脹系數(shù)有所下降，熱導(dǎo)率先降低后升高，并在=0.1時(shí)達(dá)到最低值。

4.1.3 Gd位與Zr位共摻雜

近年來，同時(shí)對(duì)Gd位與Zr位共取代的(A2B2O7)(A2B2O7)1?x型鋯酸釓材料受到越來越多的關(guān)注。Prabhakar等[58-59]研究了Ca與Nb共摻雜的(Ca2Nb2O7)(Gd2Zr2O7)1?x以及Ca與Ta共摻雜的(Ca2Ta2O7)(Gd2Zr2O7)1?x陶瓷材料，二者在摻雜后未發(fā)現(xiàn)燒綠石結(jié)構(gòu)。Pan等[60]在此基礎(chǔ)上對(duì)一系列Ca、Nb共摻雜的(Ca2Nb2O7)(Gd2Zr2O7)1?x（=0、0.05、0.25、0.50、0.75、1）陶瓷材料進(jìn)行了晶體結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能、熱導(dǎo)率等方面的研究，提出了當(dāng)=0.25時(shí)，材料有著最佳力學(xué)性能與熱性能的組合。

4.2 材料復(fù)合

材料復(fù)合是除了摻雜改性以外，針對(duì)材料性能的另一種改進(jìn)方法。與直接改變材料晶體結(jié)構(gòu)的摻雜改性不同，材料復(fù)合是在保持各組分成分與性能的前提下，將2種或多種組分以特定的形式、比例、分布組合而成，各組分之間有明顯的界面存在。復(fù)合后的材料可以繼承各組分的性能優(yōu)點(diǎn)，獲得單一組分材料所不具備的綜合性能。對(duì)鋯酸釓材料而言，為了彌補(bǔ)自身斷裂韌性低、熱膨脹系數(shù)不匹配等缺點(diǎn)，可以選擇該方面性能優(yōu)異的材料作為增強(qiáng)相與鋯酸釓復(fù)合，以得到滿足性能要求的復(fù)合陶瓷材料。

RESZ通常指3.5%RE2O3（RE= Dy、Y、Er、Yb）- ZrO2（物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)），它是陶瓷材料優(yōu)秀的增韌劑。Guo等[61]研究了引入第二相ErSZ對(duì)鋯酸釓斷裂韌性及熱導(dǎo)率的影響，隨著ErSZ含量的增加，材料的斷裂韌性增強(qiáng)，熱導(dǎo)率升高，這種現(xiàn)象的出現(xiàn)可能與引入ErSZ后出現(xiàn)了增強(qiáng)相t′相有關(guān)。Guo等[62-63]通過共沉淀法制備了4種RESZ化合物，并分別研究了其中韌性最高的DySZ與穩(wěn)定性最好的YbSZ復(fù)合后對(duì)鋯酸釓的增韌作用和機(jī)理。研究表明，Gd2Zr2O7-RESZ復(fù)合材料的韌性均隨著二者摻雜量的提升而提高。關(guān)于RESZ的增韌機(jī)理，張玉[49]認(rèn)為是晶格扭曲與結(jié)構(gòu)無序化引起了斷裂能量增加，t′相的形成引起了鐵彈性增韌，以及由于t'相和基體材料熱膨脹系數(shù)不匹配產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力這3種原因共同作用的結(jié)果。

LaPO4也是一種常見的陶瓷材料增韌劑，具有優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性與斷裂韌性，并能與多數(shù)陶瓷材料相容。Guo等[64-65]以鋯酸釓與LaPO4粉末為原料制備了Gd2Zr2O7-LaPO4陶瓷塊體。該復(fù)合材料由燒綠石相的鋯酸釓與獨(dú)居石相的LaPO4組成，二者可以相容且不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。隨著LaPO4含量的提高，復(fù)合材料的斷裂韌性逐漸升高，在=14.16%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時(shí)達(dá)到最大，比單相鋯酸釓材料高出約45%，之后隨含量的升高而降低。該結(jié)果表明，LaPO4可以作為鋯酸釓材料以及結(jié)構(gòu)類似的稀土鋯酸鹽材料有效的增韌劑。

其他材料如釔鋁石榴石（YAG）、鈣鈦礦等，本身就具有作為熱障涂層材料使用的潛力，在與鋯酸釓復(fù)合后，可以制備出兼具二者優(yōu)點(diǎn)的復(fù)合陶瓷材料。Cao等[66]以La2Zr2O7為基體，引入了YAG納米粉末。對(duì)高壓燒結(jié)制備的復(fù)合陶瓷材料進(jìn)行表征，證實(shí)了YAG的增韌效果，并分析了其增韌機(jī)理：基體材料在引入YAG后產(chǎn)生了晶界強(qiáng)化，這可能是YAG與基體材料之間的熱膨脹系數(shù)失配以及納米顆粒與基體之間形成的強(qiáng)界面導(dǎo)致的結(jié)果，這一結(jié)果對(duì)同為稀土鋯酸鹽的Gd2Zr2O7同樣適用。李英杰等[67]通過高溫固相法合成了Gd2Zr2O7-SrZrO3（GZSZ，其中Gd2Zr2O7與SrZrO3的質(zhì)量比為7︰3）復(fù)合陶瓷粉末并使用APS制備了GZSZ涂層。結(jié)果表明，鋯酸釓粉末為燒綠石結(jié)構(gòu)，而在涂層中則為缺陷螢石結(jié)構(gòu)，SrZrO3則始終為鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，二者成相良好，穩(wěn)定性較佳。涂層經(jīng)1400 ℃熱處理5 h后熱膨脹系數(shù)近似于YSZ，在1000 ℃以下的熱導(dǎo)率低于YSZ，是一種性能較好的熱障涂層材料。

4.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

幾乎所有新型熱障涂層材料的單層結(jié)構(gòu)涂層熱循環(huán)壽命都比較低，鋯酸釓熱障涂層也不例外。對(duì)鋯酸釓材料來說，其熱膨脹系數(shù)與基體材料的差異比YSZ更大，同時(shí)會(huì)與熱生長氧化層（TGO）中的Al2O3發(fā)生反應(yīng)[68]，影響涂層的熱循環(huán)壽命。對(duì)于這一問題，可以從涂層結(jié)構(gòu)方面加以改進(jìn)，常見的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法有：雙陶瓷層（DCL）結(jié)構(gòu)、梯度熱障涂層（GTBC）。

1）雙陶瓷層（DCL）結(jié)構(gòu)。DCL熱障涂層是熱障涂層技術(shù)的發(fā)展方向之一，其結(jié)構(gòu)如圖5所示，陶瓷表層（Top coat-1）的材料通常應(yīng)具有較低的熱導(dǎo)率、較高的燒結(jié)強(qiáng)度以及良好的耐蝕性，從近年國內(nèi)外的研究情況來看，稀土鋯酸鹽（La、Gd）被普遍認(rèn)為是理想的陶瓷表層材料。陶瓷底層（Top coat-2）的材料則需要較高的熱膨脹系數(shù)、對(duì)TGO的化學(xué)惰性以及較高的斷裂韌性。從現(xiàn)有的陶瓷層材料來看，適合作為陶瓷底層的最佳材料仍為YSZ[69]。因此，可以采用Gd2Zr2O7/YSZ雙層結(jié)構(gòu)來改善鋯酸釓熱障涂層的綜合性能。

圖5 DCL結(jié)構(gòu)示意[69]

Guo[70]通過Yb摻雜對(duì)鋯酸釓進(jìn)行了改性，同時(shí)提出：新型材料制備的熱障涂層的熱循環(huán)壽命相較于傳統(tǒng)YSZ涂層并未得到明顯提高[71-73]，這可能是材料本身韌性不足導(dǎo)致的。因此，在摻雜改性的基礎(chǔ)上通過電子束-物理氣相沉積（EB-PVD）技術(shù)制備出具有DCL結(jié)構(gòu)的(Gd0.9Yb0.1)2Zr2O7/YSZ(GYbZ/YSZ)熱障涂層，并進(jìn)行了熱循環(huán)壽命測試。結(jié)果表明，GYbZ/ YSZ涂層具有較高的熱循環(huán)壽命，水淬實(shí)驗(yàn)中可以完成230次循環(huán)，風(fēng)冷條件下壽命可以超過500次，而在模擬實(shí)際使用條件的熱沖擊實(shí)驗(yàn)中，涂層的壽命可以超過3700個(gè)循環(huán)。對(duì)熱沖擊結(jié)果進(jìn)行分析，涂層失效首先出現(xiàn)在GYbZ表層，這說明DCL結(jié)構(gòu)有效改善了界面處的應(yīng)力集中現(xiàn)象，克服了單層鋯酸釓成形困難的問題。

2）梯度熱障涂層（GTBC）。GTBC是對(duì)DCL結(jié)構(gòu)的補(bǔ)充，在熱障涂層中，涂層的斷裂失效常常發(fā)生在層間界面，這主要是層間的內(nèi)部應(yīng)力集中效應(yīng)引起的裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展的結(jié)果。對(duì)于DCL結(jié)構(gòu)涂層，雖然界面處尤其是陶瓷層與粘結(jié)層之間的界面，應(yīng)力集中效應(yīng)得到了改善，但在雙陶瓷層界面處，應(yīng)力集中效應(yīng)仍然存在。此時(shí)在雙陶瓷層界面采用梯度成分過渡可以有效緩解這一現(xiàn)象，顯著提高涂層熱循環(huán)壽命。Ma等[74]通過EB-PVD同時(shí)制備了成分為(Gd0.9Yb0.1)2Zr2O7/YSZ的DCL涂層與GTBC，在掃描電鏡下觀測結(jié)果如圖6所示。為了比較2種結(jié)構(gòu)的熱循環(huán)壽命，在相同條件下進(jìn)行了熱沖擊實(shí)驗(yàn)，最終，GTBC的熱循環(huán)壽命（1346個(gè)循環(huán)）比傳統(tǒng)的DCL涂層（942個(gè)循環(huán)）更長，這表明梯度結(jié)構(gòu)的存在對(duì)提高DCL涂層的熱循環(huán)壽命有一定幫助。

圖6 GYbZ/YSZ涂層橫截面的SEM圖像和EDS線掃描結(jié)果[74]

4.4 涂層制備技術(shù)

熱噴涂技術(shù)是制備熱障涂層的主要方法，它是通過火焰、電弧、等離子體等熱源或動(dòng)力源，將一定成分的線狀或粉狀材料加熱形成熔化、半熔化或未熔化固態(tài)的高速粒子流，在基體上不斷沉積最終形成涂層[75]。目前，鋯酸釓熱障涂層的制備技術(shù)主要有APS與EB-PVD兩種，而一種新興的涂層制備技術(shù)等離子噴涂-物理氣相沉積（PS-PVD），兼具了二者的優(yōu)點(diǎn)，具有實(shí)際應(yīng)用的價(jià)值。

PS-PVD是在低壓等離子噴涂（LPPS）的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新一代高性能陶瓷涂層制備技術(shù)，其在超低壓下形成的高溫等離子炬（=2.5～3.5 m），可以使材料發(fā)生熔融、氣化甚至離化等一系列反應(yīng)。根據(jù)這一特點(diǎn)，調(diào)整噴涂工藝，能使涂層在不同噴距下具有不同的結(jié)構(gòu)（層狀結(jié)構(gòu)、羽毛狀結(jié)構(gòu)、柱狀結(jié)構(gòu)、納米結(jié)構(gòu)），從而達(dá)到涂層結(jié)構(gòu)可控的效果。

目前，關(guān)于PS-PVD的應(yīng)用報(bào)道主要集中在YSZ熱障涂層，而使用該技術(shù)制備鋯酸釓?fù)繉拥难芯可胁煌晟疲延械难芯恐写蠖喽际腔赮SZ的工藝與參數(shù)來指導(dǎo)鋯酸釓?fù)繉拥闹苽?。Guo等[76]通過PS-PVD制備了鋯酸釓?fù)繉樱芯苛藷Y(jié)對(duì)粉末原料、涂層沉積以及微觀結(jié)構(gòu)的影響。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，PS-PVD在沉積鋯酸釓?fù)繉訒r(shí)的速率（24 μm/min）要遠(yuǎn)高于APS（～4 μm/min），涂層具有典型的羽毛狀結(jié)構(gòu)。羽毛狀結(jié)構(gòu)可以看作是傳統(tǒng)柱狀結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，如圖7所示，相比于EB-PVD制備的致密柱狀結(jié)構(gòu)，羽毛狀結(jié)構(gòu)擁有大量的納米孔隙，從而具有更好的隔熱能力和抗熱震性能?？梢灶A(yù)見，隨著研究的繼續(xù)深入，新型涂層材料結(jié)合新型制備技術(shù)，將進(jìn)一步推動(dòng)鋯酸釓材料在熱障涂層中的應(yīng)用。

圖7 PS-PVD噴涂羽毛狀結(jié)構(gòu)涂層的橫截面和表面形貌[77]

5 總結(jié)與展望

1）隨著先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，需要開發(fā)具有更高使用溫度、更低熱導(dǎo)率、與基體熱膨脹系數(shù)相匹配以及高溫條件下相穩(wěn)定性良好的新一代熱障涂層陶瓷層材料。近年來，已有許多種類的新型熱障涂層材料被證實(shí)具有廣闊的應(yīng)用前景，其中，稀土鋯酸鹽材料有著優(yōu)異的高溫性能與高溫穩(wěn)定性，具有極大的應(yīng)用潛力。

2）鋯酸釓是稀土鋯酸鹽的一種，在同系列中有著最低的熱導(dǎo)率與最高的熱膨脹系數(shù)。鋯酸釓在常溫下為有序的燒綠石結(jié)構(gòu)，當(dāng)溫度升高至1530 ℃時(shí)開始發(fā)生有序無序轉(zhuǎn)變，最終轉(zhuǎn)變?yōu)闊o序的缺陷螢石結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生這種轉(zhuǎn)變的原因可以從溫度、結(jié)構(gòu)和壓力3個(gè)方面進(jìn)行解釋。

3）總結(jié)了常見的粉末制備工藝，對(duì)制備鋯酸釓粉末時(shí)最常用的固相法與液相法，其制備過程中的工藝選擇與最佳參數(shù)的研究現(xiàn)狀分別進(jìn)行了介紹，以得到粒徑、成分、形貌、流動(dòng)性、團(tuán)聚結(jié)合強(qiáng)度等指標(biāo)滿足熱噴涂要求的鋯酸釓團(tuán)聚粉末。

4）重點(diǎn)介紹了鋯酸釓作為熱障涂層材料應(yīng)用時(shí)的優(yōu)缺點(diǎn)，總結(jié)了近年來國內(nèi)外針對(duì)鋯酸釓材料及熱障涂層，尤其是針對(duì)涂層斷裂韌性與熱性能的改進(jìn)方法。從摻雜改性、材料復(fù)合、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制備技術(shù)4個(gè)方面進(jìn)行了歸納概述，為實(shí)現(xiàn)鋯酸釓材料在熱障涂層領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用提供了幫助。

[1] 郭洪波, 宮聲凱, 徐惠彬. 先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱障涂層技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 中國材料進(jìn)展, 2009, 28(9): 18-26.

GUO Hong-bo, GONG Sheng-kai, XU Hui-bin. Progress in Thermal Barrier Coatings for Advanced Aeroengines[J]. Materials China, 2009, 28(9): 18-26.

[2] 徐惠彬, 宮聲凱, 劉福順. 航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱障涂層材料體系的研究[J]. 航空學(xué)報(bào), 2000, 21(1): 7-12.

XU Hui-bin, GONG Sheng-kai, LIU Fu-shun. Recent Development in Materials Design of Thermal Barrier Coatings for Gas Turbine[J]. Acta Aeronautica et Astro-nautica Sinica, 2000, 21(1): 7-12.

[3] 劉占國. A2Zr2O7型稀土鋯酸鹽材料的組織結(jié)構(gòu)與物理性能研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2009: 5-7.

LIU Zhan-guo. Study on Microstructure and Physical Pro-perties of A2Zr2O7-Type Rare-Earth Zirconates[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2009: 5-7.

[4] BALLARD J D, DAVENPORT J, LEWIS C, et al. Phase Stability of Thermal Barrier Coatings Made from 8wt.% Yttria Stabilized Zirconia: A Technical Note[J]. Journal of Thermal Spray Technology, 2003, 12(1): 34-37.

[5] PADTURE N P, GELL M, JORDAN E H. Thermal Barrier Coatings for Gas-Turbine Engine Applications[J]. Science, 2002, 296(5566): 280-284.

[6] VASSEN R, CAO X Q, TIETZ F, et al. Zirconates as New Material for Thermal Barrier Coatings[J]. Journal of the American Ceramic Society, 2004, 83(8): 2023-2028.

[7] LU Hao-ran, WANG Chang-an, ZHANG Chen-guang, et al. Thermo-Physical Properties of Rare-Earth Hexaalu-minates LnMgAl11O19(Ln: La, Pr, Nd, Sm, Eu and Gd) Magnetoplumbite for Advanced Thermal Barrier Coatings [J]. Journal of the European Ceramic Society, 2015, 35(4): 1297-1306.

[8] CAO X Q, ZHANG Y F, ZHANG J F, et al. Failure of the Plasma-Sprayed Coating of Lanthanum Hexaluminate[J]. Journal of the European Ceramic Society, 2008, 28(10): 1979-1986.

[9] 魏曉東, 侯國梁, 趙荻, 等. 氧化物摻雜YSZ熱障涂層的最新研究進(jìn)展[J]. 表面技術(shù), 2020, 49(6): 92-103.

WEI Xiao-dong, HOU Guo-liang, ZHAO Di, et al. Recent Research Progress on Oxide Doped YSZ Thermal Barrier Coatings[J]. Surface Technology, 2020, 49(6): 92-103.

[10] LEWIS C G. Emerging Materials and Processes for Thermal Barrier Systems[J]. Current Opinion in Solid State & Materials Ence, 2004, 8(1): 77-91.

[11] MA W, MACK D, MALZBENDER J, et al. Yb2O3and Gd2O3Doped Strontium Zirconate for Thermal Barrier Coatings[J]. Journal of the European Ceramic Society, 2008, 28(16): 3071-3081.

[12] 呂艷紅, 張啟富. 新型熱障涂層研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 粉末冶金工業(yè), 2015, 25(1): 8-13.

LYU Yan-hong, ZHANG Qi-fu. Current Research Status and Development Trend of Advanced Thermal Barrier Coatings[J]. Powder Metallurgy Industry, 2015, 25(1): 8-13.

[13] 張紅松, 朱濤, 魏媛. 鈣鈦礦及A2B2O7型熱障涂層用陶瓷材料研究進(jìn)展[J]. 稀土, 2010, 31(4): 75-80.

ZHANG Hong-song, ZHU Tao, WEI Yuan. Research Progress of Perovskite and A2B2O7Ceramics for Thermal Barrier Coatings[J]. Chinese Rare Earths, 2010, 31(4): 75-80.

[14] CAO X Q, VASSEN R, FISCHER W, et al. Lanthanum Cerium Oxide as Thermal Barrier Coating Material for High Temperature Applications[J]. Adv Mater, 2003, 15(17): 1438-1442.

[15] FENG Jing, SHIAN S, XIAO Bing, et al. First-Principles Calculations of the High-Temperature Phase Transforma-tion in Yttrium Tantalate[J]. Physical Review B-Condensed Matter and Materials Physics, 2014, 90(9): 094102.

[16] WANG J, CHONG X Y, ZHOU R, et al. Microstructure and Thermal Properties of RETaO4(RE=Nd, Eu, Gd, Dy, Er, Yb, Lu) as Promising Thermal Barrier Coating Materials[J]. Scripta Mater, 2017, 126: 24-28.

[17] BRUNAUER G, FREY F, BOYSEN H, et al. High Temperature Thermal Expansion of Mullite: an in Situ Neutron Diffraction Study up to 1600 ℃[J]. Journal of the European Ceramic Society, 2001, 21(14): 2563-2567.

[18] ZHU Ren-bo, ZOU Jian-peng, MAO Jie, et al. A Com-parison between Novel Gd2Zr2O7and Gd2Zr2O7/YSZ Thermal Barrier Coatings Fabricated by Plasma Spray- Physical Vapor Deposition[J]. Rare Metals, 2021, 40(8): 2244-2253.

[19] SHIMAKAWA Y, KUBO Y, HAMADA N, et al. Crystal Structures, Magnetic and Transport Properties, and Elec-tronic Band Structures of AaMnaOa Pyrochlores (A=Y, In, Lu, and T1)[J]. Physical Review B, 2003, 329: 815-816.

[20] SICKAFUS K E, MINERVINI L, GRIMES R W, et al. Radiation Tolerance of Complex Oxides[J]. Science, 2000, 289(5480): 748-751.

[21] SUBRAMANIAN M A, ARAVAMUDAN G, RAO G V S. Oxide Pyrochlores-A Review[J]. Progress in Solid State Chemistry, 1983, 15(2): 55-143.

[22] RUSHTON M J D, GRIMES R W, STANEK C R. Predicted Pyrochlore to Fluorite Disorder Temperature for A2Zr2O7Compositions[J]. Journal of Materials Research, 2004, 19(6): 1603-1604.

[23] ZHANG F X, LIAN J, BECKER U, et al. High-Pressure Structural Changes in the Gd2Zr2O7Pyrochlore[J]. Phys Rev B, 2007, 76(21): 214104.

[24] LEHMANN H, PITZER D, PRACHT G, et al. Thermal Conductivity and Thermal Expansion Coefficients of Lanthanum Rare-Earth-Element Zirconates System[J]. Journal of the American Ceramic Society, 2004, 86(8): 1338-1344.

[25] JIANG B, FANG M H, HUANG Z H, et al. Mechanical and Thermal Properties of LaMgAl11O19[J]. Mater Res Bull, 2010, 45(10): 1506-1508.

[26] ZHU D, FOX D S, BANSAL N P, et al. Advanced Oxide Material Systems for 1650 ℃ Thermal/Environmental Barrier Coating Applications[J]. NASA Briefs, 2004: 1-13.

[27] DUDEK M, ROG G, BOGUSE W, et al. Calcium Zir-conate as a Solid Electrolyte for Electrochemical Devices Applied in Metallurgy[J]. Materials Science-Poland, 2006, 24(1): 253-260.

[28] ZHANG Jiang-feng, ZHONG Xing-hua, CHENG Yong- liang, et al. Thermal-Shock Resistance of LnMgAl11O19(Ln=La, Nd, Sm, Gd) with Magnetoplumbite Structure[J]. Journal of Alloys & Compounds, 2009, 482(1/2): 376-381.

[29] 侯晨曦, 謝憶, 舒小艷, 等. 釓鋯燒綠石的高溫固相法制備及工藝影響研究[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2017, 39(4): 10-16.

HOU Chen-xi, XIE Yi, SHU Xiao-yan, et al. The Process Impact on the Preparation of Gd2Zr2O7Pyrochlore by High Temperature Solid Phase Method[J]. Journal of Wuhan University of Technology, 2017, 39(4): 10-16.

[30] NAIR J, NAIR P, DOESBURG E B M, et al. Preparation and Characterization of Lanthanum Zirconate[J]. Journal of Materials Science, 1998, 33(18): 4517-4523.

[31] CHEN D, XU R. Hydrothermal Synthesis and Charac-terization of La2M2O7(M=Ti,Zr) Powders[J]. Materials Research Bulletin, 1998, 33(3): 409-417.

[32] 王鈾, 鄭國明, 李殿生, 等. 納米粉體再造粒的意義-制備納米結(jié)構(gòu)涂層的熱噴涂喂料[J]. 中國粉體工業(yè), 2011(6): 8-13.

WANG You, ZHENG Guo-ming, LI Dian-sheng, et al. Significance of Regranulation of Nano Powders-Thermal Spraying Feed for Preparation of Nano Structure Coatings [J]. China Academic Journal Electronic Publishing House, 2011(6): 8-13.

[33] 劉燕祎, 徐強(qiáng), 潘偉, 等. 固相反應(yīng)Gd2Zr2O7陶瓷的形成機(jī)理研究[J]. 稀有金屬材料與工程, 2005, 34(z1): 584-586.

LIU Yan-yi, XU Qiang, PAN Wei, et al. Study of the Formation Mechanism of Gd2Zr2O7Ceramic by Solid State Reaction[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2005, 34(z1): 584-586.

[34] 唐敬友, 陳曉謀, 潘社奇, 等. 立方燒綠石Gd2Zr2O7的高溫高壓合成[J]. 原子能科學(xué)技術(shù), 2010, 44(4): 394- 399.

TANG Jing-you, CHEN Xiao-mou, PAN She-qi, et al. Synthesis of Gd2Zr2O7Pyrochlore with Cubic Structure at High Pressure and High Temperature Conditions[J]. Atomic Energy Science and Technology, 2010, 44(4): 394-399.

[35] 毛雪麗, 唐敬友, 易發(fā)成, 等. Gd2Zr2O7燒綠石的高溫高壓快速合成[J]. 西南科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2011, 26(2): 5-9.

MAO Xue-li, TANG Jing-you, YI Fa-cheng, et al. Rapid Synthesis of Gd2Zr2O7Pyrochlore at High Temperature and High Pressure[J]. Journal of Southwest University of Science and Technology, 2011, 26(2): 5-9.

[36] 寧明杰, 董發(fā)勤, 張寶述, 等. 釓鋯燒綠石粉體的高溫固相制備工藝[J]. 中國粉體技術(shù), 2012, 18(5): 37-39.

NING Ming-jie, DONG Fa-qin, ZHANG Bao-shu, et al. Preparation of Pyrochlore Gd2Zr2O7Powders by High Temperature Solid State Reaction[J]. China Powder Science and Technology, 2012, 18(5): 37-39.

[37] LU Xi-rui, DING Yi, DAN Hui, et al. Rapid Synthesis of Single Phase Gd2Zr2O7Pyrochlore Waste Forms by Microwave Sintering[J]. Ceramics International, 2014, 40(8): 13191-13194.

[38] LU Xi-rui, DONG Fa-qin, SONG Gong-bao, et al. Phase and STRUCTURE in the System Gd2-xEuZr2O7(0.0≤≤2.0)[J]. Journal of Wuhan University of Technology- Mater, 2014, 29(1): 1-4.

[39] SHU Xiao-yan, FAN Long, LU Xi-rui, et al. Structure and Performance Evolution of the System (Gd1–xNd)2(Zr1–yCe)2O7(0≤,≤1.0)[J]. Journal of the European Ceramic Society, 2015, 35(11): 3095-3102.

[40] 李權(quán), 馬偉民, 馬雷, 等. 共沉淀法制備Gd2Zr2O7納米粒子[J]. 人工晶體學(xué)報(bào), 2013, 42(1): 72-77.

LI Quan, MA Wei-min, MA Lei, et al. Preparation of Gd2Zr2O7Nanoparticles by Coprecipitation Method[J]. Journal of Synthetic Crystals, 2013, 42(1): 72-77.

[41] BAHAMIRIAN M, HADAVI S M M, FARVIZI M, et al. Enhancement of Hot Corrosion Resistance of Thermal Barrier Coatings by Using Nanostructured Gd2Zr2O7Coa-ting[J]. Surface and Coatings Technology, 2018, 360: 1-12.

[42] LIU Kui, ZHANG Kui-bao, DENG Ting, et al. Prepara-tion of Gd2Zr2O7Nanoceramics from Two-Step Thermal Treatment and the Aqueous Durability Analysis[J]. Ceramics International, 2020, 46(9): 13040-13046.

[43] ZHOU Mao, HUANG Zhang-yi, QI Jian-qi, et al. Densification and Grain Growth of Gd2Zr2O7Nanocera-mics during Pressureless Sintering[J]. Journal of the Euro-pean Ceramic Society, 2017, 37(3): 1059-1065.

[44] YANG Yao, HUANG Zhang-yi, SHI Chen, et al. Liquid- Solid-Solution Synthesis of Ultrafine Gd2Zr2O7Nano-particles with Yield Enhancement[J]. Ceramics Interna-tional, 2020, 46(1): 1216-1219.

[45] MORENO K J, RODRIGO R S, FUENTES A F. Direct Synthesis of A2(Ti1-yZr)2O7(A=Gd3+, Y3+) Solid Solutions by Ball Milling Constituent Oxides[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2005, 390(1): 230-235.

[46] QI Jian-qi, HUANG Zhang-yi, ZHOU Mao, et al. Trans-parent Sub-Mircon Gd2Zr2O7Ceramic Prepared by Spark Plasma Sintering Using Nanocrystalline Powders[J]. Jour-nal of the European Ceramic Society, 2018, 38(4): 2256- 2258.

[47] 蔡峰. 納米熱噴涂技術(shù)和涂層研究的進(jìn)展[J]. 材料研究與應(yīng)用, 2019, 13(3): 252-256.

CAI Feng. Progress in Nano-Thermal Spraying Technology and Coatings[J]. Materials Research and Application, 2019, 13(3): 252-256.

[48] 張榕貴. 淺談高性能鋯酸釓粉末的制備[J]. 福建冶金, 2020, 49(5): 36-38.

ZHANG Rong-gui. Preparation of Gd2Zr2O7Powders Based on Spray Method[J]. Fujian Metallurgy, 2020, 49(5): 36-38.

[49] 張玉. RESZ的相穩(wěn)定性及YbSZ摻雜鋯酸釓的增韌機(jī)制研究[D]. 天津: 天津大學(xué), 2016: 32-40.

ZHANG Yu. Study on the Phase Stability of RESZ and the Toughening Mechanism of YbSZ Doped Gd2Zr2O7[D]. Tianjin: Tianjin University, 2016: 32-40.

[50] GUO Lei, GUO Hong-bo, PENG Hui, et al. Thermo-physical Properties of Yb2O3Doped Gd2Zr2O7and Thermal Cycling Durability of (Gd0.9Yb0.1)2Zr2O7/YSZ Thermal Barrier Coatings[J]. Journal of the European Ceramic Society, 2014, 34(5): 1255-1263.

[51] WANG Xi-zhong, GUO Lei, ZHANG Hai-lin, et al. Structural Evolution and Thermal Conductivities of (Gd1–xYb)2Zr2O7(=0, 0.02, 0.04, 0.06, 0.08, 0.1) Cera-mics for Thermal Barrier Coatings[J]. Ceramics Interna-tional, 2015, 41(10): 12621-12625.

[52] WANG Cai-mei, GUO Lei, ZHANG Yu, et al. Enhanced Thermal Expansion and Fracture Toughness of Sc2O3Doped Gd2Zr2O7Ceramics[J]. Ceramics International, 2015, 41(9): 10730-10735.

[53] GUO Y, HE W, GUO H. Thermo-Physical and Mechanical Properties of Yb2O3and Sc2O3Co-Doped Gd2Zr2O7Ceramics[J]. Ceramics International, 2020, 46(11): 18888- 18894.

[54] WANG D, DONG S, ZENG J, et al. Influence of Doping Mg2+or Ti4+Captions on the Microstructures, Thermal Radiation and Thermal Cycling Behavior of Plasma- Sprayed Gd2Zr2O7Coatings[J]. Ceramics International, 2020, 46(9): 13054-13065.

[55] ZHAO F A, XIAO H Y, LIU Z J, et al. A DFT Study of Mechanical Properties, Thermal Conductivity and Elec-tronic Structures of Th-Doped Gd2Zr2O7[J]. Acta Materi-alia, 2016, 121: 299-309.

[56] WAN Chun-lei, QU Zhi-xue, DU Ai-bing, et al. Influence of B Site Substituent Ti on the Structure and Thermo-physical Properties of A2B2O7-Type Pyrochlore Gd2Zr2O7[J]. Acta Materialia, 2009, 57(16): 4782-4789.

[57] JIANG Tao, XIE Min, GUAN Li-li, et al. Effect of Nb5+and Cu2+Codoping on Thermal Properties of Gd2Zr2O7Ceramic[J]. Journal of Rare Earths, 2020, 39(2): 180-185.

[58] RADHAKRISHNAN A N, PRABHAKAR R P, MAHESH S K, et al. Role of Bond Strength on the Lattice Thermal Expansion and Oxide Ion Conductivity in Quaternary Pyrochlore Solid Solutions[J]. Inorganic Chemistry, 2012, 51(4): 2409-2419.

[59] RADHAKRISHNAN A N, PRABHAKAR R P, MAHESH S K, et al. Order-Disorder Phase Transformations in Qua-ternary Pyrochlore Oxide System: Investigated by X-Ray Diffraction, Transmission Electron Microscopy and Raman Spectroscopic Techniques[J]. Journal of Solid State Che-mistry, 2009, 182(8): 2312-2318.

[60] ZHAO Meng, REN Xiao-rui, PAN Wei. Mechanical and Thermal Properties of Simultaneously Substituted Pyro-chlore Compounds (Ca2Nb2O7)(Gd2Zr2O7)1-x[J]. Journal of the European Ceramic Society, 2015, 35(3): 1055-1061.

[61] LI Ming-zhu, GUO Lei, YE Fu-xing. Phase Structure and Thermal Conductivities of Er2O3Stabilized ZrO2Toug-hened Gd2Zr2O7Ceramics for Thermal Barrier Coatings [J]. Ceramics International, 2016, 42(15): 16584-16588.

[62] GUO Lei, LI Ming-zhu, ZHANG Cheng-long, et al. Dy2O3Stabilized ZrO2as a Toughening Agent for Gd2Zr2O7Ceramic[J]. Materials Letters, 2016, 188(1): 142-144.

[63] ZHANG Yu, GUO Lei, ZHAO Xiao-xiang, et al. Toug-hening Effect of Yb2O3Stabilized ZrO2Doped in Gd2Zr2O7Ceramic for Thermal Barrier Coatings[J]. Materials Science & Engineering A, 2015, 648(11): 385-391.

[64] WANG Cai-mei, GUO Lei, YE Fu-xing. LaPO4as a Toughening Agent for Rare Earth Zirconate Ceramics[J]. Materials & Design, 2016, 111(5): 389-393.

[65] LI Ming-zhu, CHENG Yu-xian, GUO Lei, et al. Preparation of Nanostructured Gd2Zr2O7-LaPO4Thermal Barrier Coatings and Their Calcium-Magnesium-Alumina- Silicate(CMAS) Resistance[J]. Journal of the European Ceramic Society, 2017, 37(10): 3425-3434.

[66] LI J Y, DAI H, ZHONG X H, et al. Effect of the Addition of YAG (Y3Al5O12) Nanopowder on the Mechanical Properties of Lanthanum Zirconate[J]. Materials Science & Engineering A, 2007, 460: 504-508.

[67] 李英杰, 馬文, 黃威, 等. 等離子噴涂Gd2Zr2O7-SrZrO3復(fù)合陶瓷涂層的微觀結(jié)構(gòu)和性能[J]. 稀有金屬材料與工程, 2020, 49(2): 555-560.

LI Ying-jie, MA Wen, HUANG Wei, et al. Microstructure and Properties of Plasma Sprayed Gd2Zr2O7-SrZrO3Composite Ceramic Coatings[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2020, 49(2): 555-560.

[68] 徐強(qiáng), 劉燕, 王敬棟, 等. Gd2Zr2O7與Al2O3的高溫界面反應(yīng)[J]. 稀有金屬材料與工程, 2005, 34(S1): 587-589.

XU Qiang, LIU Yan, WANG Jing-dong, et al. Study of the High Temperature Interfacial Reaction between Gd2Zr2O7and Al2O3[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2005, 34(S1): 587-589.

[69] 曹學(xué)強(qiáng). 新型熱障涂層材料研究進(jìn)展(英文)[J]. 硅酸鹽學(xué)報(bào), 2020, 48(10): 1622-1635.

CAO Xue-qiang. Development on New Thermal Barrier Coating Materials[J]. Journal of the Chinese Ceramic Society, 2020, 48(10): 1622-1635.

[70] 郭磊. 氧化物摻雜鋯酸釓熱物理性能及熱障涂層高溫穩(wěn)定性研究[D]. 北京: 北京航空航天大學(xué), 2014: 58-67.

GUO Lei. Study on the Thermo-Physical Properties of Oxides Doped Gd2Zr2O7and High Temperature Stability of Its Thermal Barrier Coatings[D]. Beijing: Beihang University, 2014: 58-67.

[71] GUO H B, ZHANG H J, MA G H, et al. Thermo-Physical and Thermal Cycling Properties of Plasma-Sprayed BaLa2Ti3O10Coating as Potential Thermal Barrier Mate-rials[J]. Surface & Coatings Technology, 2009, 204(5): 691-696.

[72] 馬文. 高溫La2Ce2O7材料改性及雙陶瓷層結(jié)構(gòu)熱障涂層研究[D]. 北京: 北京航空航天大學(xué), 2006: 69-70.

MA Wen. Study on the Modification of La2Ce2O7at High Temperature and Thermal Barrier Coatings with Double Ceramic Layer Structure[D]. Beijing: Beihang University, 2006: 69-70.

[73] 謝曉云. LaTi2Al9O19熱障涂層熱物理性能及高溫穩(wěn)定性研究[D]. 北京: 北京航空航天大學(xué), 2011: 22-25.

XIE Xiao-yun. Study on the Thermo-Physical Properties and High Temperature Stability of LaTi2Al9O19Thermal Barrier Coating[D]. Beijing: Beihang University, 2011: 22-25.

[74] ZHANG Hai-lin, GUO Lei, MA Yue, et al. Thermal Cycling Behavior of (Gd0.9Yb0.1)2Zr2O7/8YSZ Gradient Thermal Barrier Coatings Deposited on Hf-Doped NiAl Bond Coat by EB-PVD[J]. Surface & Coatings Technology, 2014, 258: 950-955.

[75] 李長久. 熱噴涂技術(shù)應(yīng)用及研究進(jìn)展與挑戰(zhàn)[J]. 熱噴涂技術(shù), 2018, 10(4): 8-29.

LI Chang-jiu. Applications, Research Progresses and Future Challenges of Thermal Spray Technology[J]. Thermal Spray Technology, 2018, 10(4): 8-29.

[76] LI Shan, HE Wen-ting, SHI Jia, et al. PS-PVD Gadoli-nium Zirconate Thermal Barrier Coatings with Columnar Microstructure Sprayed from Sintered Powder Feedstocks [J]. Surface and Coatings Technology, 2020, 383(15): 125243.

[77] ZHANG X F, ZHOU K S, LIU M, et al. Mechanisms Governing the Thermal Shock and Tensile Fracture of PS-PVD 7YSZ TBC[J]. Ceramics International, 2018, 44(4): 3973-3980.

Research Progress on Gadolinium Zirconate Materials for Thermal Barrier Coatings

1,2,2,2,3,2,1

(1. Institute of Advanced Wear & Corrosion Resistant and Functional Materials, Jinan University, Guangzhou 510632, China; 2. National Engineering Laboratory for Modern Materials Surface Engineering Technology, Key Laboratory of Guangdong for Modern Surface Engineering Technology, Institute of New Materials, Guangdong Academy of Sciences, Guangzhou 510650, China; 3. School of Materials Science and Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)

In order to meet the performance requirements of new aero-engines, it is necessary to develop thermal barrier coating materials that can be used under ultra-high temperature conditions. In recent years, there are many ceramic materials that have been proved to be promising in the field of thermal barrier coatings. Among these materials, the rare earth zirconate has the characteristics of low thermal conductivity and good stability at high temperature, while the zirconate gadolinium has the lowest thermal conductivity and the highest thermal expansion coefficient. The structural characteristics of zirconate gadolinium materials were overviewed. The order-disorder transition at high temperature was introduced and the reasons and change rules were summarized. The reasons why the zirconate gadolinium had good thermal properties compared with other materials were also briefly analyzed. Two methods commonly used in powder preparation process which named solid phase method and liquid phase method were summarized. On this basis, the research status of different preparation methods and the process both parameters of powder agglomeration in recent years were concluded. Finally, the defects of zirconate gadolinium in the application of thermal barrier coatings were put forward, such as the lower fracture toughness and thermal expansion coefficient, leading to the difficulty in forming single-layer zirconate gadolinium coatings and the lower thermal cycle life. In order to solve this problem, the modification methods of zirconate gadolinium and thermal barrier coatings at home and abroad were reviewed, including the doping modification, the material composite, the coating structure design and the coating preparation technology. At the same time, the development trend of new thermal barrier coatings materials combined with the advanced preparation technology was prospected.

thermal barrier coatings; gadolinium zirconate; powder manufacture; material modification; coating structure; plasma spray-physical vapor deposition

TG174.442

A

1001-3660(2022)02-0116-13

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.02.011

2021-01-14；

2021-04-02

2021-01-14；

2021-04-02

廣東省特支計(jì)劃（2020A1515010948）；廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)項(xiàng)目（2019B010936001）；廣州市科技計(jì)劃（202007020008）；廣東省科學(xué)院項(xiàng)目（2020GDASYL-20200104028）

Special Support Project of Guangdong Province (2020A1515010948); Projects of Key-Area Research and Development Programs of Guangdong Province (2019B010936001); Science and Technology Project of Guangzhou (202007020008); Project of Guangdong Academy of Sciences (2020GDASYL-20200104028)

趙泓旭（1997—），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楦邷胤雷o(hù)涂層。

ZHAO Hong-xu (1997—), Male, Postgraduate, Research focus: high temperature protection coating.

鄧春明（1976—），男，博士，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)楦邷胤雷o(hù)涂層。

DENG Chun-ming(1976—), Male, Doctor, Professorate senior engineer, Research focus: high temperature protection coating.

趙泓旭, 鄧春明, 付朗, 等. 用于熱障涂層的鋯酸釓材料研究進(jìn)展[J]. 表面技術(shù), 2022, 51(2): 116-128.

ZHAO Hong-xu, DENG Chun-ming, FU Lang, et al. Research Progress on Gadolinium Zirconate Materials for Thermal Barrier Coatings[J]. Surface Technology, 2022, 51(2): 116-128.