产品描述
氧化锆陶瓷涂层是热喷涂涂层中较为常用的一种，其具有硬度高、耐温性好、抗热振强等性能。
产品介绍
氧化锆陶瓷涂层简介：
氧化锆陶瓷涂层由于其优越的耐高温性能与低的热导率，广泛用作航空发动机与燃气轮机等的热障涂层（ThennalBanierCoatings:TBCs)。同时，由于具有良好的高温稳定性，在高温下具有较高的氧离子电导率，等离子喷涂层还可用作固体氧化物燃料电池的电解质。高温应用要求涂层具有结构稳定性以及性能稳定性。

图（一）喷涂氧化锆陶瓷涂层耐高温绝缘
如前所述，纯氧化锆的晶体结构随温度的升高将发生从单斜晶向正方晶、立方晶变化，而降温时的正方晶向单斜晶的变化将伴随着体积膨胀，足以超过材料本身的强度而引起开裂，因此，常添加一定量的氧化钇、氧化钙与氧化镁、氧化铈等来将氧化锆稳定在正方晶或立方晶，避免因温度变化时的相变引起开裂。

图14 H2流量对等离子喷涂TiO2涂层的相结构的影响
氧化锆陶瓷涂层的耐温性能：
作为热障涂层常用的氧化锆为ZrO2-8%Y2O3（8YSZ）(质量分数），ZrO2-CaO(CSZ)。YSZ随氧化钇含量的不同，晶体结构不同。随Y2〇3含量的增加，单斜晶含量减少，而正方晶以及立方晶的含量增加。由于喷涂粒子的急冷特征，涂层的晶体结构与粉末的晶体结构会产生差异。8YSZ粉末由正方晶和单斜晶组成，如图15所示，而等离子喷涂沉积的涂层则主要由正方晶与少量的单斜晶构成。由于X射线衍射分析时正方晶与立方晶的衍射峰一般重叠在一起，难以定量给出涂层中各相的相对含量。采用拉曼光谱分析表明，涂层中不同相的相对含量随Y203的含量而变化。解析结果如表16所示，即使含约9%Y203(摩尔分数）的YSZ涂层，在喷涂态主要由正方晶构成。随热处理时间的增加，发生从正方晶向单斜晶的转变，而转变的量随1〇3含量增加变得不显著。对于TBC常用的含%(摩尔分数）（质量分数8%)Y203的YSZ，在1200°C处理后，涂层中正方晶的约三分之一被转变为单斜晶。对于Y203含量接近20%(摩尔分数）的YSZ，涂层基本由稳定的立方晶构成，含有少量的正方晶与微量的单斜晶，随热处理时间的增加，正方晶将向稳定的立方晶转变。

图15 YSZ涂层与粉末的结构比较
喷涂态YSZ涂层中的正方晶呈现准稳特征，在应力的作用下发生应变诱致马氏体型的相转变，变为单斜晶。用ZrO2-8%Y2O3(质量分数）的粉末制备的涂层进行了显微硬度测试后，在测试应力的作用下喷涂态的正方晶发生了向单斜晶转变。这种应变诱发相引起的正方晶向单斜晶的变化因产生体积膨胀，而具有抑制裂纹扩展的作用，为烧结块材ZrO2增韧的方法之一。

图16 1200℃热处理不同时间后YSZ涂层的相含量变化
对于致密的ZrO2，晶体结构不同，其热导率不同，正方晶的热导率约为立方晶的2倍，而立方晶约为单斜晶的1/～1/4。因此，涂层的热物理性能取决于涂层的晶体结构与层状组织结构。ZrO2-7%Y2O3(摩尔分数）涂层的热导率为/(m*K),即使进行热处理涂层的晶体结构也不发生明显的变化，因此，在1000°C下经100h热处理后，热导率为/(m*K)，基本上无显著变化。然而，对于ZrO2-5CaO,涂层经1000°C，100h热处理后，其热导率从喷涂态的/(m*K)增加至/(m*K),热导率的增加将降低隔热效果。

图17 不同工艺制备的YSZ涂层的热扩散率的变化
图17为采ZrO2-Y2O3在三种不同条件下制备的YSZ涂层的温度扩散系数随热处理温度变化的测试结果，涂层的制备条件如表18所示。结果表明随涂层制备条件的不同，由于其组织结构不同而使热物理性能不同。随电弧功率的增加温度扩散系数增加，而随喷涂距离的增加由于孔隙率增加，粒子间的结合率下降使温度扩散系数降低，YSZ系热障涂层的热疲劳寿命与Y2〇3的含量有关，图19为其含量对热疲劳寿命的影响，结果表明含有8%Y203(质量分数）稳定的YSZ的热疲劳寿命。热障涂层的热疲劳寿命除了与YSZ的成分有关外，还与结合层的成分有关，而结合层的组成与组织影响YSZ与结合层之间的热生长氧化膜(TGO:thermalgrowthoxide)的特性。图20为采用不同合金结合层试验得到的合金种类对热障涂层寿命的比较，镍基涂层呈现较高的热疲劳寿命。

图18 图中试样制备条件
当YSZ热障涂层在超过1300℃的高温下使用时，随保温时间的延长将发生涂层的烧结从而导致涂层的收缩，如图21所示，在1300oC下保温50h后将收缩约%,温度越高，收缩越严重，因此替代YSZ的高温稳定热障涂层材料的开发为目前TBC研究的重要方向之一。

图(二)氧化锆陶瓷涂层用于柱塞杆表面形成高硬度耐磨层，同时也有很强的抗腐蚀性能
近年来，固体氧化物燃料电池技术的开发越来越受到关注，等离子喷涂固体电解质YSZ涂层在电池制造中显示出较好的应用前景。图22为不同稳定剂M2〇3含量对YSZ电导率的影响，其中8%Y2O3(摩尔分数）稳定的表现出较高的电导率。使用真空等离子喷涂的薄YSZ涂层作电解质的电池，显示出优越的输出特性（图23)。基于氧化锆的氧离子导电的电解质特性，基于YSZ的氧传感器的热喷涂制造也已经用于生产。

图19 Y2O3含量对YSZ涂层热冲击寿命的影响

图20 不同种类的结合层对YSZ涂层热冲击寿命的影响

图21 大气等离子喷涂La-MP涂层与YSZ涂层在1300℃下时效行为的比较

图22 M2O3含量对ZrO2的电导率的影响

图23 以真空等离子喷涂YSZ为电解质的固体氧化物燃料单电池的输出特性