Calcia-magnesia-alumino-silicate (CMAS)-induced degradation and failure of air plasma sprayed yttria-stabilized zirconia thermal barrier coatings

材料科学 热障涂层 氧化钇稳定氧化锆 立方氧化锆 单斜晶系 相(物质) 化学工程 陶瓷 复合材料 晶体结构 结晶学 化学 有机化学 工程类
作者
Amanda R. Krause,Hector F. Garcés,Gopal Dwivedi,Ángel L. Ortiz,Sanjay Sampath,Nitin P. Padture
出处
期刊:Acta Materialia [Elsevier BV]
卷期号:105: 355-366 被引量:209
标识
DOI:10.1016/j.actamat.2015.12.044
摘要

Thermal barrier coatings (TBCs) used in gas-turbine engines experience severe degradation by calcia-magnesia-alumino-silicate (CMAS) deposits during high-temperature operation. The present study identified and evaluated the chemical and microstructural changes in air plasma-sprayed (APS) 7 wt.% Y2O3 stabilized ZrO2 (7YSZ) TBCs caused by CMAS attack under isothermal conditions at 1340 °C. Additionally, a ‘model’ experimental study was conducted by characterizing 7YSZ ceramic powders immersed in molten CMAS glass at 1300 °C for different exposure times. The combined results from both studies highlight the importance of local CMAS glass composition on the 7YSZ/CMAS interaction. Specifically, low Y-content in the glass, caused by a relatively large glass 'sink,' produces Y-depleted ZrO2 grains that undergo tetragonal (t) → monoclinic (m) phase transformation upon cooling. Alternatively, small pockets of Y-enriched glass induce the formation of t″-ZrO2, a phase characterized by its high stabilizer content. After prolonged high-temperature exposure, solution-reprecipitation induces the formation of both m-ZrO2 and t″-ZrO2 throughout the APS 7YSZ TBC in accordance with the phase diagram. Using a thermomechanical model it is shown that the strain associated with the martensitic t→m phase transformation plays an important role in the delamination failure of TBCs attacked by CMAS.
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