Исследование сопротивления слоя ZrO₂–8 % Y₂O₃ конденсационных покрытий против воздействия оксидов кальция, магния, алюминия и кремния (СМАS)

Abstract

Проанализировано современное состояние исследований по механизму разрушения термобарьерных покрытий с внешним керамическим слоем на основе частично стабилизированного диоксида циркония ZrO₂-8 % Y₂O₃ (YSZ) в результате взаимодействия с оксидами кальция, магния, алюминия и кремния (CMAS) при высокой температуре. Представлены результаты исследований взаимодействия CMAS с различными вариантами конденсационных покрытий с внешним керамическим слоем YSZ, осажденных по одностадийной электронно-лучевой технологии, в том числе градиентных покрытий с добавками Al₂O₃, B₂O₃ и Gd₂O₃ в процессе отжига на воздухе при 1210 °C. Исследовано изменение химического состава, микроструктуры и микротвердости внешнего керамического слоя ZrO₂-8 % Y₂O₃ с добавками после отжига. Установлено, что в процессе отжига происходит проникновение расплавленного CMAS по границам столбчатых кристаллитов керамического слоя и его химическое взаимодействие с YSZ, сопровождающееся уменьшением содержания оксида иттрия в YSZ. При этом также отмечена диффузия CMAS к границе раздела с металлическим подслоем и взаимодействие со слоем на основе оксида алюминия, что может привести к преждевременному разрушению покрытия. Показано, что наиболее высоким сопротивлением разрушению под воздействием CMAS характеризуются конденсационные покрытия с внешним керамическим слоем, имеющим градиентное распределение оксида гадолиния.

Present state-of-the-art of investigations on mechanism of fracture of thermal barrier coatings with external ceramic layer on the base of a partially stabilized zirconium dioxide ZrO₂—8 % Y₂O₃ (YSZ)as a result of interaction with oxides of calcium, magnesium, aluminium and silicon (CMAS) at high temperature was analyzed. Results of investigations of CMAS interaction with different variants of condensation coatings with external ceramic layer YSZ, deposited by a single-stage electron beam technology, including gradient coatings with additions of Al₂O₃, B₂O₃ and Gd₂O₃ in the process of air annealing at 1210 °C are given. The change of chemical composition, microstructure and microhardness of external ceramic layer ZrO₂—8 % Y₂O₃ with additions after annealing was investigated. It was found that in the annealing process the penetration of molten CMAS along the boundaries of columnar crystallites of ceramic layer and its chemical interaction with YSZ, accompanied by decrease in content of yttrium oxide in YSZ are occurred. Moreover, diffusion of CMAS to the interface with metallic sublayer and interaction with the layer on aluminium oxide base is also observed that can lead to premature fracture of the coating. It is shown that the condensation coatings with external ceramic layer, having a gradient distribution of gadolinium oxide, are characterized by the highest fracture resistance under the effect of CMAS.