【摘 要】
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由于7-8YSZ已经无法满足热障涂层日益增长的高性能需求,亟需开发新一代热障涂层材料。稀土钽酸盐（RETaO4）及其改性材料由于具有较7-8YSZ更为优异的热学性能以及铁弹相变,因而被认为是新一代有潜力的热障涂层材料。然而极端恶劣的服役环境对热障涂层的性能提出更高的要求,其中力学性能作为热障涂层的基本性质显得尤为重要。目前对RETaO4及其改性材料的研究主要集中于相结构、热学性能以及简单的抗CMA
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由于7-8YSZ已经无法满足热障涂层日益增长的高性能需求,亟需开发新一代热障涂层材料。稀土钽酸盐（RETaO4）及其改性材料由于具有较7-8YSZ更为优异的热学性能以及铁弹相变,因而被认为是新一代有潜力的热障涂层材料。然而极端恶劣的服役环境对热障涂层的性能提出更高的要求,其中力学性能作为热障涂层的基本性质显得尤为重要。目前对RETaO4及其改性材料的研究主要集中于相结构、热学性能以及简单的抗CMAS腐蚀性能等方面,在RETaO4及其改性材料的力学性能、增韧机制以及增韧机制与微观结构之间的关系等方面尚未进行深入研究。基于此,本文以YTaO4为基体对其进行Zr O2梯度掺杂改性之后,分别对其力学性能、微观结构以及增韧机理进行了系统性研究。主要的创新性内容如下:1.完成了Y0.5-x/2Ta0.5-x/2ZrxO2陶瓷块体的制备、相结构测试及断裂韧性表征。通过化学共沉淀法成功制备了成分为Y0.5-x/2Ta0.5-x/2ZrxO2（YTZ;x=0、0.04、0.08、0.12、0.16、0.20、0.24、0.28）的新型热障涂层材料,对其进行缓慢降温后通过相结构分析发现纯M相YTZ中Zr O2固溶极限在0.15≤x<0.16。断裂韧性结果表明,断裂韧性最高的YTZ成分为Y0.44Ta0.44Zr0.12O2,其值(3.44±0.35 MPa·m1/2)与7-8YSZ(3.33±0.28 MPa·m1/2)持平甚至略高于7-8YSZ。2.对Y0.5-x/2Ta0.5-x/2ZrxO2陶瓷材料其微观结构测试并对其存在的合理性进行分析。对纯YTaO4以及断裂韧性最优Y0.44Ta0.44Zr0.12O2材料进行原子尺度观察后,发现M相YTZ均由两种不同取向的等厚变体片层交替排列所构成,呈旋转铁弹畴结构。最后通过理论分析证明了M相YTZ中旋转铁弹畴结构其平均自发应变最低且平均自发应变能最低,对旋转铁弹畴结构存在的合理性进行了解释。3.通过加载前后微观结构的变化对Y0.5-x/2Ta0.5-x/2ZrxO2陶瓷材料的增韧机制进行系统分析。通过STEM分别对纯YTaO4以及Y0.44Ta0.44Zr0.12O2材料加载前后微观形貌的变化进行原子级表征,发现加载后两种材料内部均出现铁弹畴转变现象,最终起到铁弹增韧效果。在纯YTaO4以及Y0.44Ta0.44Zr0.12O2材料铁弹畴变后期材料中出现无体积作用的M→M’相变,从而产生增韧效果。由于Zr O2掺杂减小了M相YTZ两种变体之间存在的角度差α,增强了裂纹偏转效果;同时由于Zr O2掺杂减小了铁弹畴旋转过程中所需跨越的能垒以及应力诱导M→M’相变的相变能垒,最终使得铁弹增韧效果得以加强并使得相变区域扩大,最终使得材料断裂韧性提升。
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