大气等离子喷涂ZrO2–YO1.5–TaO2.5热障涂层的非平衡晶界钽偏析失效机理

ZrO₂–YO_1.5–TaO_2.5(ZYTO)三元体系因其低的热导率、稳定的四方相结构和铁弹性增韧机制，成为了热障涂层陶瓷层候补材料中的研究热点。然而，目前ZYTO材料的研究主要集中在块体结构及性能方面，对于其作为热障涂层实际应用的结构及性能却鲜有报道。本文旨在系统地研究ZYTO热障涂层在高温服役过程中的结构及性能演变，并明确其高温失效机理。本文通过大气等离子喷涂方法制备了ZYTO热障涂层，并研究了其在1150°C下的热循环性能及微观结构演变。研究结果表明，尽管ZYTO块体材料具有良好的热学和力学性能，但是大气等离子喷涂ZYTO热障涂层却表现出极短的热循环寿命。这主要归因于在超高温的大气等离子喷涂过程中Ta元素有限的溶解度以及急速冷却所伴随的非平衡晶界Ta偏析现象，导致 ZYTO热障涂层发生了从稳定四方相到亚稳四方相和立方相的相变过程。相变过程带来了~0.74vol%的体积收缩，使得涂层中亚稳四方相和立方相的相界处萌生了大量微裂纹。此外，具有大量晶界Ta偏析的立方相表现出明显的晶间脆化，显著降低了涂层的结合强度(~5.3 MPa)，使得大气等离子喷涂ZYTO热障涂层过早失效。