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主管单位 中华人民共和国
工业和信息化部
主办单位 中国材料研究学会
哈尔滨工业大学
主编 苑世剑 国际刊号ISSN 1005-0299 国内刊号CN 23-1345/TB

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引用本文:董会,白如雪,孙良,杨紫辰,韩燕,彭建洪.基于第一性原理计算研究YSZ相变影响热障涂层寿命机理[J].材料科学与工艺,2025,33(5):69-78.DOI:10.11951/j.issn.1005-0299.20240040.
DONG Hui,BAI Ruxue,SUN Liang,YANG Zichen,HAN Yan,PENG Jianhong.The mechanism of the YSZ phase transition affecting the durability of thermal barrier coatings via first-principles[J].Materials Science and Technology,2025,33(5):69-78.DOI:10.11951/j.issn.1005-0299.20240040.
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基于第一性原理计算研究YSZ相变影响热障涂层寿命机理
董会1,白如雪1,孙良1,杨紫辰1,韩燕2,彭建洪3
(1.西安石油大学 材料科学与工程学院,西安710065;2.石油管材及装备材料服役行为与结构安全国家重点实验室(中国石油集团工程技术研究院有限公司),西安710076;3.青海民族大学 物理与电子信息工程学院,西宁 810007)[HJ1.5mm]
摘要:
为分析陶瓷层(YSZ)相变过程中影响热障涂层寿命的深层次机理,采用第一性原理计算方法分析了单斜相(M相)、四方相(T相)、立方相(C相)3种不同相结构ZrO2单胞的电子结构与力学性能,并在单胞基础上构建了不同质量分数Y2O3掺杂ZrO2超晶胞模型,表征了YSZ相组成与微观结构对其热力学性能的影响。结果表明:Y2O3掺杂提升了ZrO2的结构稳定性。与T相相比,YSZ的M相生成焓更负,结构稳定性更高。T相到M相转变时产生晶格结构和氧空位浓度的变化,导致YSZ隔热性能下降,在引起粘结层表面氧化速度增加的同时,还诱发温度升高,促进YSZ烧结。M相的泊松比高,YSZ由T相转变为M相时韧性增加。但是,T相转变为M相时,M相的高弹性模量导致涂层应力升高。因此,研究YSZ高温相变对涂层寿命的影响时,应从隔热能力和力学性能等多个方面开展。
关键词:  热障涂层  相变  第一性原理  热力学性能  寿命
DOI:10.11951/j.issn.1005-0299.20240040
分类号:TG174.453
文献标识码:A
基金项目:国家自然科学基金资助项目(51904331).
The mechanism of the YSZ phase transition affecting the durability of thermal barrier coatings via first-principles
DONG Hui1, BAI Ruxue1, SUN Liang1, YANG Zichen1, HAN Yan2, PENG Jianhong3
(1. School of Materials Science and Engineering, Xi’an Shiyou University, Xi’an 710065,China;2. State Key Laboratory for Performance and Structure Safety of Petroleum Tubular Goods and Equipment Materials(CNPC Engineering and Technology Research Institute Limited Company), Xi’an 710076,China;3. School of Physics and Electronic Information Engineering, Qinghai Minzu University, Xining 810007,China) [HJ1.4mm]
Abstract:
To analyze the deep-seated mechanism of ceramic topcoat (YSZ) phase transformation affecting the durability of thermal barrier coatings,the electronic structure and mechanical properties of zirconia cells with monoclinic, tetragonal and cubic phases were analyzed by first-principles calculation. A model of Y2O3-doped ZrO2 supercell was established, and the effects of YSZ phase composition and microstructure on its thermodynamic properties were investigated. The results show that Y2O3 doping enhances the structural stability of ZrO2. Compared with the T-phase, the generation enthalpy of M-phase is more negative, and the structural stability is higher. The T-to M-phase transformation comes with the change of the lattice structure and oxygen vacancy concentration, decreasing the thermal insulation performance of YSZ.Both temperature of the bond coat and YSZ coating increase, elevating the oxidation rate of bond coat and sintering rate of YSZ.YSZ toughness increases with phase transformation because of a higher Poissons ratio of M-phase. However, the T-phase has a lower elasticity modulus, decreasing the thermal stress in TBCs. Therefore, when studying the effect of YSZ high-temperature phase transformation on the durability of coatings , it is essential to consider aspects such as thermal insulation capability and mechanical properties.
Key words:  thermal barrier coatings  phase transformation  first principles  thermodynamic properties  durability.

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