氧化锆热障涂层在航空发动机上的应用和发展
中国突破高性能纳米氧化锆热障涂层技术难关
中国突破高性能纳米氧化锆热障涂层技术难关
中国突破高性能纳米氧化锆热障涂层技术难关
2013年08月06日 10:24
来源：中国国防科技信息网
近日，西安航天复合材料研究所建成高性能纳米氧化锆喷涂粉体生产线，标志着该所高性能热障涂层攻关取得重大进展。
该所发挥等离子喷涂技术工程化应用优势，以高性能纳米氧化锆喷涂粉体在大推重比航空发动机、燃气轮机和火箭发动机领域需求为背景，进行高性能热障涂层技术攻关，突破纳米结构控制技术，建成了国内最先进的粉体材料合成技术平台，建立了高性能纳米氧化锆喷涂工程化研制生产和材料标准体系，成为国内首家纳米粉体制备和涂层应用技术集成研究单位。
[责任编辑：吴雨洪] 标签：热障涂层航天氧化锆。
EBPVD氧化锆纳米结构热障涂层研究
北京航空材料研究院硕士学位论文EB-PVD氧化锆纳米结构热障涂层研究姓名：***申请学位级别：硕士专业：材料物理与化学指导教师：***20061220２）在气冷条件相当的情况下，压气机室进气口温度一样，有热障涂层的发动机热端部件其基体承受的温度较低。
有研究表明，降低温度能大大提高材料的疲劳寿命，故而提高发动机部件的使用寿命｛９］；３）当气冷条件相当，基体合金工作温度一样的情况下，由于使用热障涂层的发动机可以承受更高温度的燃烧气体，因此可以提高发动机的推力，增加推重比。
图Ｌ２热障涂层技术为航空发动机带来的综合效益示意１８１总之，热障涂层技术是发展高推重比航空发动机的关键技术之一，在目前及今后～个阶段，在先进航空发动机叶片上使用热障涂层技术是一个被普遍接受的共识。
１．２热障涂层体系热障涂层的基本思路是在合金基体上涂覆或沉积陶瓷涂层以达到隔热的作用，但是由于陶瓷和基体合金晶格不匹配，且热膨胀系数差别较大，涂层和基体的连接不会太好，伴随着热循环过程中产生的应力，容易造成涂层的失效。
因此，在基体和陶瓷层之间还应有一层粘结层来增强涂层的结合力，缓解涂层使用过程中的热应力。
基体、粘结层和陶瓷层构成了一个复杂的材料体系。
该材料体系中各部分的作用可如图１．３表示：基体合金主要是承载，需具备良好的高温力学性能；粘结层用于过渡合金基体和陶瓷层，减小两者热性能参数的不匹配，且在热循环过程中能够在其表面生成一溥层热生长氧化物层（Ｔｈｅｒｍａｌｇｏｗｎｏｘｉｄｅ，简称ＴＧＯ），阻止氧离子和腐蚀介质的扩散，保护基体合金，减少高温氧化和腐蚀；陶瓷层用来隔热，当带有热障涂层的热端部件（如发动机动叶）达到稳态传热时，在热障涂层两端能够产生一个温降，从而降低基体高温合金表面的温度Ｉ８１。
图１．３经典热障涂层体系及各部分作用［８Ｉ１．２．１粘结层粘结层位于陶瓷层和基体之间，对热障涂层体系的性能有着十分重要的影响。
由于ＹＳＺ陶瓷层在高温下是氧离子导体，对氧离子的扩散没有阻隔作用【１０１，因此粘结层需具备优良的抗高温氧化性能，氧化膜的生长动力学常数应较低。
热障涂层在航空发动机涡轮叶片上的应用研究
Ｖ ｌ７ ｏ Ｎｏ２ Ａ ｒ２ １ ３ ｐ ． ０ １
热障涂层在航空发动机涡轮叶片上
的应用研 究
张志强 ， 文兴 ， 宋 陆海 鹰 （ 中航 工 业沈 阳发 动 机 设 计研 究所 。 阳 １０ １ ） 沈 ０ ５ １
摘要 ： 从热 障涂层在 涡轮 叶片的应用需求 出发 ， 究 了陶瓷热障涂层 的材 料与制 研
为金 属黏 接层 ，该 材料 即能满 足黏 接 陶瓷层 的要求 ，
是 在 零 件 表 面 沉 积 黏 接 １层 低 导 热 系数 的 材 料 ， 利
的主要 因素是涡 轮叶片 的承温能力 。在涡轮 叶片燃气 流道表面喷涂热 障涂层 ，对 提高 叶片承温能力 有非常 直接 的效果 ， 并对短 时间的超 温有很好 的缓 解作用 。国 外热障 涂层 在军 、 空发 动机上 已获 广泛应用 ， 民航 据资 料介绍 ， 可取得 ５ ～５ ０ １０℃ 的隔热效果 。涡轮 叶片工作 温度一般都接 近其材料 的许用温度 ，此 时如果 涡轮 叶 片每降低 １ ， 久寿命 约延长 １ 。在结 构和冷 ５℃ 其持 倍 却效果 不变的条件 下 ，采用热 障涂层技 术可 以使 叶片
２ 陶瓷热障涂层的选材 与制备方法
２１ 陶瓷热 障涂层 ห้องสมุดไป่ตู้料 ．
热 障涂层（ 简称 Ｔ Ｃ 技术是 １ Ｂ） 种表面处理技术 ，
张志强筹 ： 热瞪涂屠在黼空发动柏涡轮口 毙上的啦用酾夯 十
３ Ｂ ／］ ｇ
属基 体 之 间增加 金属 黏接 层 （ 底层 ）在 金 属 和 陶瓷之 ， 间起 黏 接 和缓 冲热应 力 的作 用 。一般选 用 ＭｃＡＹ作 ｒ１
员， 从事航空发动机涡 轮冷却叶片设 计 ｔｒｉ ａｅ ｈ ａｅｉ ｎ ｎｕａｔｒ ｇａｐｏ ｈｏ ｒｍｉ ｔｅｍ ｌｂ ｒｅ ｏ ｉ ｕｂｎ ｕｎ，ｔ ｍ ｔ ａ ａｄｍａ ｆｃ ｉ ｒａ ｃ ａ ｃ ｈ ｒ ａ ａ ｉｒｃａ ｎ ｅ ｅ ｒ ｌ ｕｎ ｐ ｃ ｆ ｅ ｒ ｔ ｇ
热障涂层技术在航空发动机涡轮叶片上的应用
- 18 -高 新 技 术０ 前言当前，我国的航空产业高速发展，对于各种大型、新型飞机的需求不断增加。
高推重比航空发动机具有较大的推重比、良好的燃油利用性成为现今航空发动机产业重要的发展方向，为提高航空发动机的推重比提高航空发动机涡轮叶片的承温能力以使得温度更高的压缩空气能够进入到航空发动机中是航空发动机推重比提高的重要方式之一。
通过热障涂层应用将能够使得航空发动机涡轮叶片具有更高的承温能力。
１ 热障涂层简述热障涂层指的是通过使用陶瓷等材料在物体表面通过喷涂等的工艺方式使其沉积在高温合金或是耐高温金属表面，通过陶瓷等耐高温材料所形成的热障涂层来隔离外部热量，降低基底的温度，据研究表明，通过应用热障涂层将能够有效提高被涂覆物体约60%的热效率。
热障涂层技术实施关键是要通过喷涂等技术将陶瓷等耐热材料以涂层形式与基体进行复合，从而使得基体具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损性能。
热障涂层技术的发展和应用关键是要做好耐高温材料等的研究和耐高温材料喷涂和涂层的沉积用以在高温合金基体表面形成隔热障层。
热障涂层是一种表面涂覆技术，其在零部件表面所喷涂材料属于具有低导热系数的材料，在工作的过程中利用材料低热传导特性在材料内外表面形成降温，用以完成对于喷涂零部件的热屏障保护。
一般来说热障涂层所使用材料主要为陶瓷类材料，由陶瓷面层和金属黏结层沟通构成零部件表面陶瓷热障涂层。
热障涂层技术发展至今经过了多次演变，且制备设备也在不断地更新用以满足越来越高的性能指标要求。
总体来说现今应用较多也较为广泛的热障涂层制备法主要有等离子喷涂法和电子束物理气相沉积法。
等离子喷涂法具有喷涂速度快、生产效率高以及可以对多种类型和规格的零部件进行喷涂加工。
但是等离子喷涂法也存在着一定的不足，其对于复杂零部件表面的热障涂层喷涂无法取得良好的喷涂效果，且在喷涂作业中对于热障涂层喷涂的厚度和均匀度也无法进行较为良好的控制，从而导致等离子喷涂法在完成零部件表面的喷涂作业后容易出现厚度不均、表面粗糙等的缺陷。
航空发动机涡轮叶片热障涂层研究进展
参考内容
热障涂层技术是近年来广泛应用于航空发动机和燃气轮机涡轮叶片的关键技 术之一。本次演示将详细探讨该技术的原理、应用场景以及发展趋势。
一、技术原理
热障涂层技术主要利用了热交换机理和温度控制原理。在航空发动机和燃气 轮机中，涡轮叶片是关键的高温部件，容易受到高温燃气流的冲刷和腐蚀。热障 涂层通过在涡轮叶片表面涂覆一层耐高温、抗腐蚀的材料，有效降低叶片表面温 度，减少高温燃气流的侵蚀，提高叶片的可靠性和使用寿命。
2、气动外形的设计
涡轮叶片作为航空发动机和燃气轮机中的关键部分，其气动外形设计对于整 个动力系统的性能有着重要影响。热障涂层技术在涡轮叶片表面涂覆一层耐高温、 抗腐蚀的材料，不仅可以提高叶片的可靠性和使用寿命，还可以通过优化气动外 形设计，减小气流在叶片表面的阻力，提高整机的性能。
三、发展趋势
二、应用场景
1、发动机高温部件的温度控制
航空发动机和燃气轮机的高温部件，如涡轮叶片、燃烧室等，是整个动力系 统的关键部分。这些部件在高温、高压、高转速的极端环境下工作，对温度控制 的要求非常高。热障涂层技术通过在高温部件表面涂覆一层隔热性能优异的材料， 有效降低部件表面温度，提高发动机和燃气轮机的可靠性和性能。
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关键技术
热障涂层的制备技术包括物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）、溶 胶-凝胶法等。其中，PVD和CVD技术能够制备出致密、均匀的涂层，但工艺温度 较高，容易导致基体热损伤；溶胶-凝胶法可以在较低的温度下制备出高纯度、 高致密度的涂层，但涂层的厚度和均匀性较差。因此，研究者们需要探索新的制 备方法，以获得具有优异性能的热障涂层。
2、涂层制备工艺的优化
热障涂层的制备工艺对于其性能和使用寿命有着重要影响。随着航空发动机 和燃气轮机性能的提高，对于热障涂层制备工艺的要求也更加严格。未来，需要 进一步优化涂层层的快速制备和大面积应用。
热障涂层的研究与应用
热障涂层的研究与应用热障涂层（Thermal Barrier Coating，TBC）是一种能够提供高温隔热保护的表面涂层，广泛应用于航空航天、能源、汽车等领域。
本文将介绍热障涂层的研究与应用情况。
一、热障涂层的研究进展热障涂层的研究始于20世纪60年代，最初是为了解决航空发动机高温部件的热疲劳问题。
随着材料科学和涂层技术的发展，热障涂层的性能得到了显著提升。
目前，研究人员主要关注以下几个方面：1. 涂层材料的研发：热障涂层通常由两层组成，底层是粘结层，用于提供涂层与基材的附着力；顶层是热障层，用于隔热。
研究人员通过改变材料的成分和结构，提高涂层的热隔热性能和耐热性。
2. 涂层制备技术的改进：目前常用的涂层制备技术包括等离子喷涂、物理气相沉积和化学气相沉积等。
研究人员致力于改进涂层制备技术，提高涂层的致密性和附着力，以及减少制备过程中的缺陷和残余应力。
3. 涂层性能的评估方法：研究人员开发了一系列评估热障涂层性能的方法，包括热循环试验、热冲击试验、高温氧化试验等。
这些方法可以评估涂层的耐热性、热隔热性和抗氧化性能。
二、热障涂层的应用领域热障涂层在航空航天、能源和汽车等领域有着广泛的应用。
1. 航空航天领域：热障涂层被广泛应用于航空发动机的涡轮叶片、燃烧室和燃气涡轮等高温部件。
它可以提供高温隔热保护，延长部件的使用寿命，提高发动机的性能和可靠性。
2. 能源领域：热障涂层被应用于燃气轮机、燃煤锅炉和核电站等能源设备中。
它可以减少能源设备的热损失，提高能源利用效率，降低能源消耗。
3. 汽车领域：热障涂层被应用于汽车发动机的活塞、气缸盖和排气系统等部件。
它可以降低发动机的燃油消耗，提高汽车的动力性能和经济性。
三、热障涂层的未来发展趋势热障涂层的研究和应用仍然面临一些挑战，如涂层的耐热性、热隔热性和抗氧化性能的进一步提高，涂层制备技术的改进，以及涂层与基材之间的附着力等。
未来的发展趋势包括：1. 新材料的研发：研究人员将继续开发新的材料，如陶瓷基复合材料和金属基复合材料，以提高涂层的性能。
涂层技术在航空发动机中的应用(一)
涂层技术在航空发动机中的应用(一)涂层技术在航空发动机中的应用1. 提高发动机效率•热障涂层（TBC）热障涂层是一种高温耐受能力极强的陶瓷涂层，在航空发动机中有广泛应用。
它可以有效降低高温燃烧室和涡轮内部的表面温度，减少热量传递到其他部件，提高燃烧效率和涡轮的使用寿命。
热障涂层采用涂敷的方式施加在发动机部件表面，形成一层隔热层，同时具备优异的耐热性、耐腐蚀性和耐磨性。
•摩擦涂层摩擦涂层是一种能够减少摩擦阻力、降低能耗和延长机械部件寿命的涂层技术。
在航空发动机中，喷涂摩擦涂层可以应用于涡轮叶片表面以减少摩擦热造成的能量损耗，提高发动机效率。
该涂层通常由涂料和固化剂组成，喷涂后会形成一层耐磨、耐热的涂层，提供涡轮叶片所需的低摩擦系数。
2. 保护发动机结构•防腐蚀涂层发动机作为飞机的核心部件，其表面容易受到腐蚀的影响。
防腐蚀涂层能够降低发动机金属部件受到酸性气体、高温、湿度等因素的腐蚀程度，提高其耐久性。
航空发动机中使用的防腐蚀涂层通常采用环氧树脂和特殊添加剂，能够有效隔离金属与外界环境，降低腐蚀速度，同时具备耐温性能。
•降噪涂层航空发动机产生的噪音是对航空乘客和地面居民造成的主要干扰。
降噪涂层是一种能够减少发动机噪音输出的技术。
该涂层通常由吸声材料和表面粗糙度调整剂构成，能够通过吸收噪音和改变噪音传播路径来降低发动机产生的噪音水平。
降噪涂层的应用可以有效改善乘客舒适度，减少航空噪声对环境的影响。
3. 增强结构强度•硬质涂层硬质涂层是一种附着在金属表面的高硬度涂层，可以提供结构件的抗磨损和抗腐蚀能力。
在航空发动机中，硬质涂层通常应用于涡轮轴承、气门、活塞等部件表面，能够减少零部件间的摩擦和磨损，提高结构件的使用寿命。
常见的硬质涂层材料包括碳化硅、氮化硼等。
•纳米涂层纳米涂层是一种厚度在纳米级别的超薄涂层，它能够提供出色的防腐蚀和防磨损性能。
航空发动机中的纳米涂层可应用于活塞环、气缸内壁等部件表面，能够减少部件摩擦和磨损，提高结构件的使用寿命。
热障涂层应用
热障涂层应用
热障涂层是一种能够提供高温保护的防护涂层，在许多领域都有广泛的应用。
1. 航空航天领域：热障涂层广泛应用于航空发动机、燃烧室、航天飞行器等高温部件上，能够有效降低高温对材料的损伤。
这能够提高发动机和飞行器的耐用性和使用寿命。
2. 能源领域：热障涂层被应用于燃气轮机的燃烧室和涡轮叶片等高温部件上，可以降低高温对材料的腐蚀和热疲劳，延长燃气轮机的使用寿命。
此外，热障涂层也可应用于热电设备、核能设备等高温环境下的部件上。
3. 汽车制造业：热障涂层可应用于汽车发动机的缸体和排气歧管等高温部位，降低高温对零部件的损伤，提高发动机的效率和寿命。
4. 钢铁冶金业：热障涂层可应用于钢铁冶金过程中的高温反应容器、热处理炉等设备，保护设备免受高温和腐蚀的影响，延长设备使用寿命。
5. 建筑工程：热障涂层可应用于高温环境下的建筑物外墙或屋顶，提供保温隔热效果，节能降耗。
总之，热障涂层在许多领域都能发挥重要作用，提高材料和设备的抗高温性能，延长使用寿命，同时也能保护环境和节约能源。
热障涂层材料的研究和发展
热障涂层材料的研究与发展４１０厂张焰段绪海王世林杨秋生摘要热障涂层材料的研究与发展，始终受到人们极大的关注。
这不仅因为采用热障涂层结构，可以使航空发动机的气冷高温金属部件的温度降低５０－－－－２００℃，显著改善高温部件的耐久性，为航空工业的发展带来极大的便利，同时，这一研究在民用领域也存在着巨大的潜力。
目前，关于新型涂层材料及其制各工艺的研究工作还在进行。
本文针对热障涂层材料的研究与发展作了一些探讨。
关键词：热障涂层：ＺｒＯ：粉末；喷涂材料～、前言热障涂层的研究开始于５０年代初期，目的是为燃气轮机叶片及火箭发动机提供耐热、抗腐的防护。
６０年代开始应用于航空燃气轮机，但直到７０年代才获得突破性进展，试制成功了在高热通量条件下具有显著隔热作用的热障涂层（ＴＢＣ）。
热障涂层的典型结构是双层ＴＢＣ系统。
在金属基材与表面陶瓷涂层之间喷涂一层结合层。
因为陶瓷涂层与金属基材之间的结合性能较差，采用这种结构后，获得了非常满意的效果。
目前热障涂层主要应用于航空及工业燃气轮机燃烧室及加力燃烧室，并局部应用于燃气轮机的涡轮部分，并可望进一步应用于轮船柴油机、汽车发动机等方面。
热障涂层材料的研究与发展，始终受到人们极大的关注。
近年来，随着航空工业的飞速发展，对航空设备的性能要求越来越高。
现代航空涡轮发动机的发展趋势是大推力、高效率、低油耗和长寿命。
为了达到这些目标，主要措施是提高涡轮进口温度，减少发动机结构尺寸和重量。
航空发动机出现后近４０年间，涡轮进口温度平均每年约提高１５℃，而高温合金最高工作温度仅以平均每年１０＂（２左右的速度递增，目前已达到１０５０℃，相当于其熔点的７５％，进～步提高工作温度的潜力已十分有限。
为了满足涡轮进口温度不断提高的要求，在致力于进一步发展新型合金和冷却技术的同时，国际上正在积极发展高温热障涂层技术。
实验表明，应用这种技术可以允许提高燃烧室温度５０－２００。
Ｃ，如果在涡轮叶片上等离子喷涂二氧化锆涂层，则可以提高涡轮进口温度约８０。
热障涂层技术在航空发动机上的应用与发展
Application and Development of Thermal Barrier Coatings on Aero Engines
MU Ren-de，LU Feng，HE Li-min，HE Shi-mei，HUANG Guang-hong
（Beijing Institute of Aeronautical Materials，Beijing 100095，China）
要求，P&W 公司又成功地开发了第 3 代涡轮叶片 EB-PVD 热障涂层——PWA266。该涂层采用EB-PVD 制备 7YSZ 陶瓷面层、低压等离子喷涂（LPPS）的 NiCoCrAlY 金属粘结层，该涂层消除了叶片蠕变疲 劳、断裂和叶型表面抗氧化陶瓷的剥落，使其寿命 比未喷涂该涂层叶片的寿命延长了 3 倍。PWA266 以其极好的耐久性、抗热剥落性能和耐热性，在 JT9D 和 PW2000 发动机上得到成功验证之后，于 1989 年首先应用到 PW2000 发动机涡轮叶片上，之 后又应用至 JT9D-7R4、V2500、F100-PW-229 和 F119 等发动机涡轮叶片上。应用该涂层后，F119 发动机高压涡轮工作叶片工作温度比未喷涂该涂 层叶片的可提高 150K 左右。除此之外，PW 公司 在 JT3D 和 JT38D 发动机的风扇叶片、压气机叶片、 燃烧室、涡轮叶片等处均用了热障涂层。
航空发动机涡轮叶片热障涂层研究现状
航空发动机涡轮叶片热障涂层研究现状一、引言航空发动机是现代航空的核心部件，其性能的优劣直接影响着飞行器的飞行效率和安全性。
而航空发动机涡轮叶片是发动机中最重要的部分之一，其工作环境极其恶劣，需要承受高温高压等极端条件。
为了保证涡轮叶片的寿命和可靠性，热障涂层技术被广泛应用于航空发动机涡轮叶片上。
二、热障涂层的概念和分类热障涂层（Thermal Barrier Coatings, TBC）是一种能够提供保护和绝缘作用的表面覆盖层，在高温环境下能够有效地减少受到热应力和氧化腐蚀等因素的影响。
根据不同的制备方法和材料组成，热障涂层可以分为多种类型，如YSZ（氧化锆稳定化）陶瓷涂层、MCrAlY（M 表示金属元素，Cr表示铬元素，Al表示铝元素，Y表示钇元素）金属涂层、La2Zr2O7（氧化镧锆）涂层等。
三、热障涂层的应用热障涂层技术已经广泛应用于航空发动机涡轮叶片上，主要是为了提高叶片的耐高温性能和抗氧化腐蚀性能。
热障涂层可以有效地减少叶片表面温度，降低热应力，延长叶片寿命。
同时，热障涂层还可以提供绝缘作用，防止热量传递到叶片内部，从而保护叶片的材料性能。
四、热障涂层的制备方法和材料选择制备方法包括物理气相沉积法、化学气相沉积法、电弧等离子喷涂法、等离子体喷涂法等。
不同的制备方法有着各自的优缺点，在选择时需要考虑到生产效率、成本、质量等因素。
材料选择方面需要考虑到其耐高温性能、导热系数、化学稳定性等因素。
五、发展趋势未来航空发动机对于热障涂层技术的需求将会更加迫切，同时也面临着更高的要求。
未来热障涂层需要具备更高的耐高温性能、更低的导热系数、更好的耐氧化腐蚀性能等特点。
此外，热障涂层还需要具备可持续性和环保性，在制备过程中减少对环境的影响。
六、结论航空发动机涡轮叶片热障涂层技术是目前航空领域中不可或缺的一部分。
通过选择合适的制备方法和材料，可以有效地提高叶片的耐高温性能和抗氧化腐蚀性能，延长其使用寿命。
航空发动机涂层技术及应用_武洪臣
良好的韧性和结合强度、抗氧化、 等离子喷涂、多弧离子
耐腐蚀
镀
涡轮叶片
压气机 / 涡轮叶片榫头和 榫槽、紧固件连接部位、摩
擦副结构
阻燃涂层 环境障碍涂
层
憎水涂层
阻止摩擦热的积累，有效延缓或阻止燃 燃烧热值低、抗氧化、导热性好、可 等离子喷涂、多弧离子
烧的进展
磨耗、摩擦系数低、较高的硬度
镀
阻止或减小发动机环境对高温结构材 料性能的影响
尾
隐身涂层
红外隐身、雷达隐身
吸收雷达波、热发射率低
等离子喷涂
尾喷管
表3 热障涂层制备技术对比
工艺
等离子喷涂
EB-PVD
沉积速度
高
适中
粗糙度
粗糙
光滑
缺陷
结构不均匀，往往产生微孔、非粘结界面、 晶粒间界、夹杂等缺陷
结构均匀、致密
结构
层状结构
柱状晶结构
冷却气孔影响 结合强度 寿命
冷却通道易堵塞 20~40MPa，机械结合，弱
涂层技术 COATING TECHNOLOGY
航空发动机涂层技术及应用
Surface Coating Technology and Application for Aeroengine
中航工业北京航空制造工程研究所 武洪臣 高 巍
在诸多涂层中，热障涂层结构最为复杂，并且在高温工 作环境中承担着重要角色。尤其是利用电子束作为热源的 热障涂层沉积技术，在航空航天领域得到了广泛应用并发 挥了巨大作用。
近几年，随着涡轮进口温度要求 越来越高，人们开始研发相稳定温度 更高的涂层材料与结构，烧绿石结构
2013 年第 9 期·航空制造技术 81
涂层技术 COATING TECHNOLOGY
热障涂层的研究与应用
热障涂层的研究与应用热障涂层（Thermal Barrier Coating，TBC）是一种能够提供高温隔热保护的表面涂层，广泛应用于航空航天、能源、汽车等领域。
本文将介绍热障涂层的研究进展和应用情况。
一、热障涂层的研究进展1. 热障涂层的组成热障涂层通常由两层组成：热障层和粘结层。
热障层主要由氧化锆、氧化钇等陶瓷材料构成，具有良好的隔热性能；粘结层则用于将热障层与基底材料牢固连接。
2. 热障涂层的制备方法目前常用的热障涂层制备方法有物理气相沉积（Physical Vapor Deposition，PVD）和热喷涂（Thermal Spray）两种。
PVD方法包括真空蒸发、磁控溅射等，可以制备出致密、均匀的热障涂层；热喷涂方法包括等离子喷涂、火焰喷涂等，适用于大面积涂层的制备。
3. 热障涂层的性能研究热障涂层的性能研究主要包括热障性能、力学性能和耐热性能等方面。
热障性能是指涂层对热流的隔离能力，可以通过热流测量仪器进行测试；力学性能是指涂层的抗剥离、抗磨损等能力，可以通过拉伸试验、摩擦磨损试验等进行评估；耐热性能是指涂层在高温环境下的稳定性，可以通过高温氧化试验等进行评价。
二、热障涂层的应用情况1. 航空航天领域热障涂层在航空航天领域的应用非常广泛。
例如，热障涂层可以应用于航空发动机的涡轮叶片上，提供高温隔热保护，延长叶片的使用寿命；热障涂层还可以应用于航天器的外壳上，减少外部热流对航天器的影响。
2. 能源领域热障涂层在能源领域的应用主要集中在燃气轮机和燃煤锅炉等设备上。
热障涂层可以提高燃气轮机的燃烧效率，减少能源损失；热障涂层还可以应用于燃煤锅炉的炉膛内壁，提高燃烧效率，减少污染物排放。
3. 汽车领域热障涂层在汽车领域的应用主要体现在发动机部件上。
热障涂层可以应用于汽车发动机的活塞、气缸盖等部件上，提高发动机的热效率，减少燃油消耗；热障涂层还可以应用于汽车排气系统的排气管道上，减少排气温度，降低噪音和排放。
基于氧化锆氧化钇涂层的航空发动机叶轮设计与应用分析
基于氧化锆氧化钇涂层的航空发动机叶轮设计与应用分析摘要：本文讨论了氧化锆氧化钇涂层在航空发动机叶轮设计中的应用案例分析。
首先介绍了已有的氧化锆氧化钇涂层叶轮的应用情况，包括高压涡轮叶轮、压气机叶片和涡轮喷气推进系统叶轮等。
然后分析了这些应用案例中涂层的效果和优点，主要包括高温抗氧化性能、耐磨损性能和优良的热传导性能。
总结指出，氧化锆氧化钇涂层在航空发动机叶轮设计中扮演着重要角色，并展望了未来的应用前景，包括进一步改进涂层工艺和性能、拓展应用范围以及与其他材料和涂层技术相结合。
该涂层的应用有助于延长叶轮寿命、降低维护成本，并提高发动机的性能和效率。
关键词：氧化锆氧化钇涂层；航空发动机；叶轮设计；应用分析引言：氧化锆氧化钇涂层作为一种新型高温耐腐蚀涂层在航空领域具有重要的应用价值。
氧化锆氧化钇涂层是通过在金属表面上形成一层稳定且高温稳定的化合物来改善叶轮的性能。
航空发动机叶轮作为发动机的关键部件之一，其性能和寿命对飞行安全和机动性能具有重要影响。
因此，通过基于氧化锆氧化钇涂层的航空发动机叶轮设计与应用分析，可以进一步提高叶轮的高温性能、耐腐蚀性能和寿命。
一、氧化锆氧化钇涂层的特性氧化锆氧化钇涂层是一种高性能涂层材料，由氧化锆和氧化钇组成。
制备方法主要有物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD）等技术。
该涂层具有出色的高温性能和耐腐蚀性能。
氧化锆氧化钇涂层在高温环境中表现出非常好的稳定性。
它能够抵御高温氧化、热膨胀和热疲劳等各种影响材料性能的因素。
这一特性在航空发动机叶轮设计中尤为重要，因为叶轮在高温高压的工作环境中不断旋转并承受巨大的压力。
氧化锆氧化钇涂层的优异高温性能可以有效地保护叶轮材料，延长叶轮的使用寿命，从而提高航空发动机的可靠性和安全性。
其次，氧化锆氧化钇涂层还具有出色的耐腐蚀性能。
航空发动机叶轮往往会遭受到气体、湿度和化学物质的腐蚀，特别是在高温高压环境下更加严重。
氧化锆氧化钇涂层可以有效地抵抗这些腐蚀因素，保护叶轮材料不受侵蚀和损坏。
新型热障涂层材料的开发与应用
新型热障涂层材料的开发与应用近年来，随着航空航天工业的迅猛发展，对于高温环境下工作的航空发动机的需求也越来越大。
然而，高温环境对发动机的材料造成了严峻的挑战。
为了保证发动机的正常运行，科学家们开始研发新型热障涂层材料，以在高温环境下提供保护。
热障涂层材料是一种能够在高温环境下阻挡热量传导的特殊涂层。
它可以减少发动机组件的温度，降低热应力，延长发动机的使用寿命。
传统的热障涂层材料多采用氧化铝，但其在高温下容易脱落，限制了其使用范围。
因此，科学家们开始寻找新型的、更为稳定的热障涂层材料。
一种新型的热障涂层材料是钼二硅化物。
该材料具有优异的热障性能和较低的热传导率，能够有效地隔离高温。
研究人员通过改变材料的合成方法和配方，成功地制备出了具有高结晶度和优异热稳定性的钼二硅化物热障涂层。
经过长时间的热循环试验，该涂层表现出了出色的热障性能，显示出了广阔的应用前景。
除了钼二硅化物，还有其他一些新型材料也被考虑用于热障涂层的开发。
例如，氧化锆、钼合金、发光材料等都展示了良好的抗高温性能。
这些新型材料的开发使得热障涂层材料的选择更加多样化，有助于提高航空发动机的性能。
在热障涂层材料的应用方面，航空航天工业是其中最主要的领域之一。
在现代航空发动机中，使用热障涂层材料可以有效地降低燃料消耗和排放物的产生，提高发动机的工作效率。
此外，该涂层还能够延长发动机的使用寿命，减少对于维修和更换部件的需求，进一步降低了成本。
除了航空航天工业，热障涂层材料在其他领域也有广泛的应用。
例如，在能源行业中，热障涂层材料可以提高燃烧设备的热效率，降低燃料消耗。
在电力行业中，该涂层还可以用于提高发电机组件的工作效率，减少能源损耗。
此外，热障涂层材料在汽车工业、船舶工业等领域也有一定的应用潜力。
总的来说，新型热障涂层材料的开发与应用在航空航天工业以及其他领域具有重要意义。
这种材料可以有效地保护发动机和其他高温工作组件，提高其工作效率和使用寿命，降低能源消耗和环境污染。
热障涂层的发展历史
热障涂层的发展历史热障涂层的发展历史热障涂层（Thermal Barrier Coating，简称TBC）是一种应用于高温环境下的高科技涂层，能够有效地降低热量传导，提高材料的氧化和腐蚀抗性，保证发动机等高温设备的长期稳定工作。
本文将按照时间顺序，对热障涂层的发展历史进行分类详细介绍。
1.近代前期：氧化铝涂层的诞生早在20世纪，人们就开始探索热障涂层领域。
1923年，美国科学家W.H. Walker发明了一种名为“火花喷射法（spark-spray method）”的氧化铝涂层技术，是热障涂层技术的开端。
该技术仍在使用当中，但被认为不够成熟稳定，难以适应更高级的要求。
2.20世纪60年代-70年代：热障涂层发展迅猛20世纪60年代末至70年代初，热障涂层的发展迅猛，进一步提高了温度极限，开始应用于航空航天以及军事行业。
这时，金属涂层作为着重点开始发展，使用的主要材料包括贵金属铂、钯等。
它们吸收热辐射和红外线，能够降低温度。
这一时期，凸出的涂层得以通过精密喷涂来得到保障，并得到了广泛的应用。
3.20世纪70年代末：喷涂硅烷化合物的开发20世纪70年代末，W.C. Holzwarth团队开发了基于硅化物的TBC涂层，推动了热障涂层技术的发展。
这一阶段，人们提出了一种新型的三元复合涂层系统，这种涂层继承了金属涂层的优点，在情况下完全代替金属涂层。
4.20世纪90年代：对压电涂层的研究20世纪90年代后期，人们开始研究对压电涂层，这是一种可以插入激励电场以在介质中产生应变的TBC。
它们被应用于航空航天领域，有效地提高了航空发动机、航空轮毂等设备的运行循环寿命。
5.21世纪：高粘度陶瓷涂层的诞生近年来，高粘度陶瓷涂层成为了热障涂层领域的热点之一。
该技术在粘度与陶瓷组分上均有所创新，使其具有更强的耐热、耐氧化和耐机械损伤的能力，能够在温度较高的环境下有效降低传热。
总体来讲，热障涂层技术的发展历程从氧化铝涂层的最初阶段开始一步步演进，终至高粘度陶瓷涂层的应用。
航空发动机高温防护涂层材料技术发展现状与趋势
耐磨涂层 耐磨涂层 耐磨涂层
防护涂层在航空发动机上的应用示意图
低温端
高温端
封严涂层
封严涂层
封严涂层
封严涂层：所有封严圈、盘（与蜂窝 或可刮削涂层配合），具有动态密封 作用，可提高发动机的功率和效率；
➢ 低温可刮削（封严）涂层 ➢ 高温可刮削（封严）涂层
防护涂层在航空发动机上的应用示意图
T • • E 1
➢ 抗氧化腐蚀（防止基体高温合金的氧化 腐蚀失效，对热障涂层的服役寿命至关 重要。）
抗氧化腐蚀作用
无涂层
有涂层
高温腐蚀环境工作2500小时后
粘结层的主要结构与成分
第三代：MCrAlY涂层 第二代：铂铝涂层 第一代：渗铝涂层
热障涂层陶瓷层的主要制备方法
热喷涂 电子束物理气相沉积
7～8wt％YSZ是目前使用最广的热障涂层材料 ➢ 高熔点（3000K以上） ➢ 低热导率（2～3 Wm－1K－1，块材） ➢ 较高热膨胀系数（～11×10－6K－1） ➢ 较低密度（～6.4g/cm3） ➢ 较低弹性模量（～40GPa） ➢ 高硬度（～14GPa）
热障涂层粘结层的主要制备方法
MCrAlY：
提高等离子喷涂涂层与基体的结合力：
➢ 通常采用表面喷砂工序，但喷砂会显著降低 单晶高温合金的疲劳寿命；
➢ 在低压等离子喷涂中，采 用联合转移弧技术，可以 达到清理表面、提高涂层 与基体结合强度的效果；
➢ 注意净化（除尘、除油、 干燥）压缩空气；
➢ 基体预热。
基体预热：
➢除去表面吸附的水汽 ➢缓解涂层的应力 ➢促进涂层在基体表面
300 Coating C
Coating B
200
航空发动机热障涂层存在的问题及其发展方向
航空发动机热障涂层存在的问题及其发展方向一、热障涂层应用现状要想使航空发动机获得更大的推重比，就必须提高发动机涡轮前的进口温度，因此对航空发动机燃烧室、涡轮叶片等热端部件的抗高温能力的要求相应提高。
在基体合金表面涂覆热障涂层（Thermal Barrier Coating，TBC）是有效提升其抗高温能力的途径之一。
目前在涡轮发动机上获得实际应用的热障涂层均为双层结构：表层为陶瓷层，主要起隔热作用，此外还起抗腐蚀、冲刷和侵蚀的作用；内层为金属粘接层，主要起改善金属基体与陶瓷层之间的物理相容性，增强涂层抗高温氧化性能的作用。
航空发动机热障涂层迄今为止，应用最广、最成熟的热障涂层是以氧化钇（质量分数6% ～8% ）部分稳定氧化锆（ YSZ）陶瓷层为面层，MCrAlY合金层为粘接层的双层结构热障涂层体系。
YSZ具有低的热导率和相对较高的热膨胀系数，但是它在使用过程中存在如下问题：（1）当工作温度高于 1200 ℃时，随着烧结时间延长，YSZ 的孔隙率和微观裂纹数量逐步减少，从而导热系数上升，隔热效果下降。
（2）高温环境中，热障涂层的面层和粘接层之间会生成以含铝氧化物为主的热生长氧化物（TGO），同时金属粘接层会产生“贫铝带”，随着热循环次数的增加，贫铝带扩大，富 Ni、Co的尖晶石类氧化物在TGO 中形成，从而使TGO 内部产生较大的应力，最终诱发裂纹并导致陶瓷面层脱落。
（3）空气环境中或飞机跑道上的颗粒物进入燃烧室后，在高温作用下形成一种玻璃态沉积物CMAS（CaO，MgO，Al2O3，SiO2等硅酸铝盐物质的简称）。
CMAS 附着在发动机叶片上，在毛细管力的作用下沿着YSZ 涂层孔隙向深度方向渗透，随后CMAS与YSZ涂层中的Y2O3发生反应，加速YSZ相变，最终在热化学与热机械的相互作用下，导致YSZ 涂层内部产生裂纹。
（4）YSZ 陶瓷面层、金属粘接层、TGO 的热膨胀系数存在的差异会引起致YSZ陶瓷面层/TGO界面、TGO/金属粘接层界面上在从工作温度（上千摄氏度）降到室温的过程中产生应变失配，从而形成热失配应力，最终会导致YSZ 面层脱落。
热障涂层技术
热障涂层技术
热障涂层技术（Thermal Barrier Coating，TBC）是一种用于保
护高温工作部件的表面涂层技术。
它主要应用于航空、航天、汽车、能源和工业领域。
热障涂层技术的原理是在高温工作部件的表面形成一层低热导率的隔热涂层，从而减少热量传导到基底材料。
这样可以保护基底材料免受高温环境引起的热疲劳、氧化、腐蚀和烧蚀的损害。
常用的热障涂层材料包括氧化锆、氧化钇、氧化铈等陶瓷材料。
这些材料具有低热导率和高熔点的特性，能够有效隔离高温工作部件和外界环境之间的热量传导。
热障涂层技术可以提高高温工作部件的耐热性能和寿命。
应用在航空发动机上，可以提高燃烧室、涡轮叶片和燃烧室外壳等部件的耐高温能力，提高发动机的效率和寿命，减少热损失和燃料消耗。
同时，热障涂层技术还可以降低发动机的冷却需求，减少冷却系统的负荷，降低燃料消耗和排放。
此外，它还可以改善部件的表面摩擦和磨损性能，提高机械性能和使用寿命。
总之，热障涂层技术在高温工作部件的保护和性能提升方面发挥着重要的作用，具有广泛的应用前景。
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代 航 空发 动 机 的关 键 技 术 之 一 ，
一
般 由金 属 黏结层 和 陶瓷面 层组
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同时 ， 还要 求 Ｔ Ｃ 具有 抗 高温腐 Ｂｓ 蚀和 高 温氧化 的作用 ，抗 氧 化 温
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１ 引 言
对 氧化 锆热 障涂 层 （ Ｂ ｓ 的 ＴＣ） 研究始 于 ２ ０世 纪 ４ ０年 代 末 ， 于 ６ ０年代 初 应用 在 Ｊ ８ Ｔ Ｄ发动 机 燃
热温 度 ， 推重 比 １ 级 发 动机 要 ０一 求达 到 １０～１ ０ ， ０ ５ 推重 比 ｌ ５一
级发 动 机要 求达 到 １０～ ０ ５ ２ ０℃ ，
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２ 基本 特 性 和 制 备 方 法
２１ 基本特 性 ．
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气 的高 温腐蚀 与 冲蚀 。
目前 ，Ｂ ｓ 用最 多 的是 氧 ＴＣ应
Ｔ Ｃ 亦 称 热屏 蔽 涂层 ， 现 Ｂｓ 是
孙褥波筹： 氧 锆 热艟 潆 层 在 颜 空 发 动和 上 鞠应 用 和 发 鼹
应用情 况和发展需求进 行 了阐述 。
子喷涂技术制备 ，喷涂在发动机
热端 部 件 （ 火焰 筒 、加 力燃 烧 如
室 、 轮叶片 ） 涡 的表 面 ， 部 件 与 将 高温 燃 气 隔绝 开来 ，以降 低部 件
此， 在应 用 先进 冷却 技术 的同时 ， Ｔ Ｃ 作 为减 少 冷却 气 体 、 长 部 Ｂｓ 延 件寿命 的 １ 重要 工 艺手 段 而受 种
涂层 的工 程 应 用研 究 。
收 稿 日期 ：０ ０ ０ — ２ ２ １— ４２
１ ３ ｍ ｋｅ ｉ ｔｅ １ ａ ｄｚｄ Ｏ ｈ ３ ０ ｌ
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介质 中 十分稳 定 ，热 导 率 和 电导
率低 ，抗 熔 融金 属介 质 侵蚀 能 力 强等 特点 ，与金 属或 碳 接触 的使
用 温度 为 １ ０ ２ ９ ７ ０～ ０ ０℃。
外 ）温 度 低 于 ２０℃ ， 体 一 般 ， ０ 基
等 离子 喷 涂包 括 大气 等 离子 不变 形 ， 不发生 组织变 化 。 也
５ ４ ／５ ５
３２ 等 离子 喷涂 特点 ．
化钇部 分稳定 的氧 化锆 （ ｒ 材 ＺＯ ） 料 。该 材 料 的涂 层具 有 在 氧化 性
３ 热 障 涂 层 制 备 方 法 及 各 种 方 法 的优 缺 点
（） １优点。射流温度高 ， 能喷
涂 一切 有 同定 熔 点 的材料 ；射流 速 度 大 ， 层结 构 力 比较 高 ； 喷 涂 被 涂 的工 件 不受 限 制 （ 复杂 零 件 除
２１ ０ ０疆 鞲 ３ ６卷 藜 ６鞠 Ｖｏ ３ ｅ ０ ０ ｌ ６ Ｎｏ６ Ｄ ｃ ２ １
氧化锆热障涂层在航空发动机 卜 的
应 用 和 发 展
孙福波， 涂 泉 （ 州 红 湖机 械 厂 ， 州 ５ １ ６） 贵 贵 ６ １ １
摘 要 ： 绍 了氧 化锆 热 障 涂 层 （ Ｂｓ 的特 性 、 备方 法 及其 特 点 ， 忻 了 Ｔ Ｃ 在艟 介 ＴＣ） 制 兮 Ｂｓ 空发 动机 上 的应 ＿情况 ， 对 Ｔ Ｃ 术 的发 畏做 出 ’展 望 手 Ｉ 并 Ｂｓ技 ， 关键词 ： 氧化 锆热 障涂 层 ； 空 发 动机 ； 航 热端ｅｏ ｍｅ ｔｏ ｉ ｏ ｉｍ ｉｅＴｈ ｒ ｌ ａ ｒ ｒ ｐ ｉ ｔ ｎ ｖ ｌｐ ｃ ｏ ｎ ｆＺ ｒ ｎｕ Ｏｘｄ ｅ ｍａ ｒｉ ｃ Ｂ ｅ
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理气 相沉 积 Ｅ — Ｖ Ｂ Ｐ Ｄ技术 和等 离
烧 室 内壁 。到 ８ 代末 ， Ｏ年 随着 发
动机推重 比的提高 ，发动机热端
部件需承受的温度大幅度提高 ，
而相关材料的承温能力有限 ， 因
本 文 对 Ｔ Ｃ 的 特 性 和 不 同 Ｂｓ 制 备方 法 以及 在航 空 发动 机 上 的