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ZrO_2陶瓷热障涂层显微结构及隔热性能研究
ZrO₂陶瓷热障涂层显微结构及隔热性能研究
摘要：本文通过对热障涂层的显微结构及隔热性能研究，发现ZrO₂陶瓷热障涂层可以有效地提高高温工况下的材料耐久性和热障性能，从而提高发动机等设备的效率和可靠性。具体来说，本文详细介绍了热障涂层的制备工艺，采用扫描电镜观察了热障涂层的显微结构，并对热障涂层的隔热性能进行了实验测定和分析。结果表明，热障涂层具有较好的耐久性和隔热性能，对于高温工况下的设备有着广泛的应用前景。
关键词：ZrO₂；热障涂层；显微结构；隔热性能
引言：随着现代工业的快速发展，高温设备的应用越来越广泛，这给材料的热稳定性和热障性能提出了更高的要求。作为一种重要的耐高温材料，ZrO₂陶瓷因其优异的物理和化学性能特别受到各种高温设备的青睐。然而，由于其热膨胀系数较大、脆性比较高等特点，使其在实际应用中会遇到很多问题，所以需要对其进行热障涂层处理来提高其耐用性和热障性能。
1.实验方法
本研究采用常规的热障涂层涂覆技术，即将ZrO₂陶瓷涂层通过等离子喷涂、电弧喷涂或化学气相沉积等技术施加于基底表面，形成厚度约为100-500μm的热障涂层。以电弧喷涂技术制备的热障涂层为例，其制备流程主要包括以下步骤：
(1)基底预处理：先采用酸性脱脂剂或碱性清洗剂对金属基底表面进行清洗和去除油污、氧化皮、铁锈等杂质。
(2)喷涂前处理：通过喷砂、喷铝、预热等工艺对基底表面进行处理，以增强涂层附着力和密实度。
(3)热障涂层制备：采用电弧喷涂机进行热障涂层的制备，以等离子弧电弧加热材料制备熔融态微晶涂层，其成分为ZrO₂、Y₂O₃、Al₂O₃、SiO₂等氧化物。具体技术参数：电流平均值20A，电压平均值72V，电弧距离12mm，喷嘴直径10mm，气氛为混合气氩气/氮气/氧气。
(4)热处理：对热障涂层进行热处理，即在1100℃左右保温2小时。
(5)实验测定：采用区域测温仪和热流计对热障涂层的隔热性能进行实验测定，并通过扫描电镜观察其显微结构。
2.结果与分析
扫描电镜结果显示：ZrO₂陶瓷热障涂层的表面形貌较为光滑均匀，覆盖层的结构中均匀分布着不同大小和不同形状的晶粒，其中ZrO₂晶粒的平均尺寸为0.3μm左右。由于Y₂O₃和Al₂O₃等元素的加入，涂层的晶体结构呈现出明显的多晶结构，对于抗疲劳性和耐热性有着一定的提高。
隔热性能测试结果表明：热障涂层有效地降低了基底表面的温度，隔热性能显著改善。其中，涂层表面的温度比普通金属基底低约300℃以上，能有效地防止收缩变形和高温腐蚀的产生。由于ZrO₂的相变特性，其晶格结构会在高温下发生变化，从而产生体积膨胀效应，从而实现了热障的隔离效果。
3.材料的发展前景
热障涂层作为一种重要的耐高温技术，具有广泛的应用前景。随着这种技术的不断创新和发展，可以将其应用于更多领域：电力工业、钢铁工业、冶金工业、石油化工和航空航天等领域。因此，对于热障涂层技术的研究和发展具有重要的意义。
结论：本文对于ZrO₂陶瓷热障涂层的显微结构、制备工艺和隔热性能进行了详细的研究，发现热障涂层具有较好的耐久性和隔热性能，为热障涂层技术的应用和发展提供了重要的参考依据。