陶瓷热障涂层研究获进展
211114944_热障涂层先进结构设计研究进展
第52卷第4期表面技术2023年4月SURFACE TECHNOLOGY·85·热障涂层先进结构设计研究进展刘嘉航a，吕哲a，周艳文a，解志文b，陈浩a，程蕾a，黄士罡a（辽宁科技大学 a.材料与冶金学院 b.机械工程与自动化学院，辽宁 鞍山 114051）摘要：随着航空航天技术的不断发展，不断提高的涡轮前进口温度及恶劣的使用环境对镍基高温合金的使用性能提出了更高的要求。
热障涂层是一种应用于涡轮发动机热端部件的表面技术，通过沉积在镍基高温合金表面，降低合金表面的温度。
概述了采用传统单层层状氧化钇部分稳定氧化锆热障涂层的优势，包括较低的制备成本、便捷的制备方式及较低的层间热膨胀失配应力。
同时，归纳了单层层状热障涂层在高温环境下存在的问题，包括氧化锆相变与烧结造成的涂层失效，以及热膨胀系数和断裂韧性较差的新型陶瓷材料无法直接制备在黏结层表面。
在此基础上重点综述了近年来热障涂层先进结构设计的研究进展，包括双层层状结构、柱状结构、垂直裂纹结构及复合结构热障涂层，其中复合结构包括激光表面改性结构、梯度涂层结构及粉末镶嵌结构热障涂层。
针对各种先进结构热障涂层，分别从微观结构、热震寿命、涂层内部应力、耐腐蚀性能、抗氧化性能等方面进行了归纳，并总结了各先进结构热障涂层现阶段发展的不足之处。
最后展望了热障涂层先进结构设计的发展方向。
关键词：热障涂层；结构设计；微观结构；制备方式；使用性能；研究进展中图分类号：TG174.4 文献标识码：A 文章编号：1001-3660(2023)04-0085-15DOI：10.16490/ki.issn.1001-3660.2023.04.006Research Progress of Advanced Structural Designof Thermal Barrier CoatingsLIU Jia-hang a, LYU Zhe a, ZHOU Yan-wen a, XIE Zhi-wen b,CHEN Hao a, CHENG Lei a, HUANG Shi-gang a(a. School of Materials and Metallurgy, b. School of Mechanical Engineering and Automation, University ofScience and Technology Liaoning, Liaoning Anshan 114051, China)ABSTRACT: Due to their excellent thermal insulation properties, high hardness and good chemical stability, thermal barrier coatings are one of the best solutions for improving the service life of hot end components for turbine engines, reducing fuel consumption, increasing efficiency and improving the thrust-to-weight ratio of engines. In recent years, with the continuous development of thermal barrier coating preparation technology and ceramic layer materials, the structure and various properties收稿日期：2021–12–18；修订日期：2022–04–25Received：2021-12-18；Revised：2022-04-25基金项目：国家自然科学基金（51702145）；辽宁省教育厅服务地方项目（FWDF202003）Fund：National Natural Science Foundation of China (51702145); Liaoning Provincial Department of Education Project Services Local Projects (FWDF202003)作者简介：刘嘉航（1997—），男，硕士生，主要研究方向为热障涂层。
新型热障涂层陶瓷隔热层材料
新型热障涂层陶瓷隔热层材料一、本文概述随着现代工业技术的飞速发展，高温环境下的材料性能问题日益凸显，尤其是在航空航天、能源转换和汽车制造等领域，对材料的高温稳定性和隔热性能提出了更高要求。
热障涂层陶瓷隔热层材料作为一种能够有效抵抗高温、降低热量传递的关键材料，正受到广泛关注。
本文旨在探讨新型热障涂层陶瓷隔热层材料的研发进展、性能特点、应用前景以及面临的挑战，以期为相关领域的科研工作者和工程师提供有益的参考和启示。
本文将首先介绍热障涂层陶瓷隔热层材料的基本概念、分类及其在高温环境下的重要性。
随后，将重点分析几种具有代表性的新型热障涂层陶瓷隔热层材料的制备工艺、性能优化及其在各个领域的应用实例。
还将讨论这些材料在实际应用中面临的主要问题，如热稳定性、抗氧化性、机械强度等，并提出相应的解决方案和发展趋势。
本文将对新型热障涂层陶瓷隔热层材料的未来发展进行展望，以期推动该领域的技术进步和产业升级。
二、热障涂层陶瓷隔热层材料概述热障涂层（Thermal Barrier Coatings，TBCs）是航空航天领域的关键技术之一，用于提高发动机和燃气涡轮机的工作效率，同时延长其使用寿命。
陶瓷隔热层材料作为热障涂层的重要组成部分，扮演着抵抗高温氧化、降低热传导、保持基体材料稳定性的关键角色。
陶瓷隔热层材料通常具有高热稳定性、低热导率、良好的化学稳定性和较高的机械强度。
这些特性使得陶瓷材料能够有效地阻挡高温气体对基体材料的直接侵蚀，降低基体材料的热应力，从而提高整体结构的热防护性能。
目前，常用的陶瓷隔热层材料主要包括氧化铝（AlO）、氧化钇稳定的氧化锆（YSZ）、硅酸盐基陶瓷以及新型复合材料等。
氧化铝因其高熔点、高硬度和良好的化学稳定性而被广泛应用于热障涂层中。
氧化钇稳定的氧化锆则以其优异的抗热震性能和高温稳定性受到关注。
硅酸盐基陶瓷因具有较低的热导率和良好的抗腐蚀性能，也在热障涂层领域得到广泛研究。
随着材料科学的不断发展，新型陶瓷隔热层材料如纳米陶瓷、复合陶瓷等不断涌现。
ZrO2陶瓷热障涂层显微结构及隔热性能研究
１ 试 验 材 料 及 方 法
１ １ 涂 层 制 备 ．
试验基 体材料采 用 Ｄ １５镍 基高 温 定 向凝 固合 Ｚ２
止 热端 部件 性能 在 高 温 下 快 速退 化 ， 瓷 热 障 涂层 陶
（ ｈ ｒ ｌ ａｒ ｒ ｏｔ ｇ ， Ｂ ｓ 得 到 了很好 的发展 Ｔ ｅ ｒ ｅ ａｉ ｓ Ｔ Ｃ ） ｍａ Ｂ ｉ Ｃ ｎ
期 短 ， 于 常规块 体 材料测 量 可靠性 高 ， 对 已经成 为很
多 国家材 料 热物理 性 能测试 的 标准 方法 。由于涂 层
随着涡 轮 发 动 机 性 能 的 提 升 ， 端 部 件 （ 涡 热 如 轮 叶片 和火 焰筒 等 ） 受 的 温度 越 来 越 高 。 为 了 防 承
因此 近年 来被 广泛 采用 。激 光 脉 冲法是 测试 材料 热 物理 性能 的一 种 常用方 法 ， 该方 法 简单 易行 ， 测试 周
牟 仁 德 ， 何 利 民 ， 贺 世 美 ， 陆 峰 ， 陶春 虎
（ 京 航 空 材 料 研 究 院 ， 京 １０ ９ ） 北 北 ０ ０ ５ 摘 要 ： 电 子 束 物 理 气 相 沉 积 法 （ ＢＰ Ｄ 在 Ｄ １５高 温 合 金 上 制 备 Ｙ Ｏ 部 分 稳 定 化 的 ＺＯ （ Ｓ ） 瓷 热 障涂 用 Ｅ —Ｖ ） Ｚ２ ｒ Ｙ Ｚ 陶 层 ， 用 扫 描 电 镜 （Ｅ 观 察 涂 层 显 微 结 构 。采 用 激 光 脉 冲 法 对 Ｅ —Ｖ 热 障 涂 层 的 热 扩 散 系 数 进 行 测 试 。 为 防 并 Ｓ Ｍ） ＢＰ Ｄ 止 热 扩 散 系数 测 试 时 激 光 穿 透 ＺＯ ｒ 陶瓷 层 ， 试 样 表 面 制 备 不 同 材 料 的 遮 挡 层 。 结 果 表 明 ， Ｂ Ｐ Ｄ热 障 涂 层 呈 在 Ｅ －Ｖ 明显 的 柱状 晶结 构 ， 状 晶垂 直 于 涂 层／ 体 界 面 。 基 体 的 热 扩 散 系数 随温 度 的 升 高 而 急 剧 增 加 ， 瓷 热 障 涂 层 的 柱 基 陶 热 扩 散 系 数 随 温 度 的升 高 呈 下 降趋 势 ， 变 化 幅度 不 大 。 室 温 下 陶 瓷 层 的热 扩 散 系数 小 于 基 体 的 １３ １０ ￣ 约 但 ／ ，２０Ｃ时 为 基 体 的 １６ 。试 样 的 激 光 遮 挡 层 很 好 解 决 了 激 光 脉 冲 法 测 试 涂 层 热 扩 散 系 数 时 的 不 稳 定 性 和 激 光 穿 透 问 题 。 ／７ 在 满 足 遮 挡 要 求 的条 件 下 ， 挡 层 材 料 种 类 对 热 扩 散 系 数 测 试 无 明显 影 响 。 遮 关 键 词 ： 障涂 层 （ Ｂ ｓ ； 子 束 物 理 气相 沉 积 （ ＢＰ Ｄ ；隔 热 性 能 ； 光 脉 冲 法 热 ＴＣ） 屯 Ｅ —Ｖ ） 激 中 图分 类 号 ： Ｇ ７ ． Ｔ １４ ４ 文献标识 码 ： Ａ 文 章 编 号 ：１０ －０ ３ ２ ０ ２０ ２ －４ ０ ５５ ５ （ ０７ ０ － ９ Ｊ ０ ０
中科院长春应化所热障涂层的设计和失效机理研究获进展
ｏ ｆ ｍａ ｇ ｎ ｅ ｔ ｒ ｏ ｎ Ｃ Ｏ — ｓ ｐ ｕ ｔ ｔ ｅ ｒ ｅ ｄ Ｖｌ — ｘ ＡＩ ｘ Ｎ ｃ ｏ ａ ｔ ｉ ｎ ｇ ｓ（ ２ ３ ２
性科 研成 果 。提 出 了将 稀土 应用 于热 障涂层 材 料 并 通 过 离 子取 代 来 改 善 材 料 性 能 的 思 想 ：深入研 究 了热 障涂 层新材 料 和结构 ，发 明 了 以稀 土 为主 的一 系列新 型高 温热 障涂层 材料 即稀 土锆 酸盐 ；在 此基础 上 ，设计 了使
热 障涂 层 研 究 领 域 有 较 高 影 响度 的 论 文 。 ２ ０ 篇 核 心 论著 的他 引总 次 数 １ １ ０ ０ 次 ，其 中
（ ２ ０ １ ３ ）３ １ １ ～ ３ １ ８）。论 文 刊 出后 引起 了 国 内外 学 者 的 广 泛
关注 （ 在该期刊 的Ｍｏ ｓ ｔ Ｄ ｏ ｗｎ ｌ ｏ ａ ｄ 区排名前２ ０ 位） 。 相关成果 已申请 国家发明专 利１ 项。 （中科 院宁波材料技 术与Ｚ － 程研究所 ）
障涂 层材 料８ Ｙ Ｓ Ｚ（ ８ ｗｔ ％ Ｙ ， Ｏ 。 稳 定 化 的
Ｚ ｒ Ｏ， ） 因在 高温 下 发生 相 变、烧 结和 透 氧 ， 不能承受 １ ２ ０ ０ ０ Ｃ以上 的高温。 目前 ，世界各 国都在 努力研 究能 替代８ Ｙ Ｓ Ｚ 、在更高 温度下
使 用的热障涂层材料。
成 果 简 报
中科院长春应 化所
免 除纯碳 质 滑动界面 的产生 ，从而 避免 强的碳 一 碳跨 界面相 互 作用 ，实现 了低含 氢Ｄ Ｌ Ｃ 在 高真空环境 中 Ａ ９ ， １ ＇ Ｅ 摩 擦、长寿 命。 研 究人员选用Ａ Ｉ ， ０ 、Ｚ ｒ Ｏ ， 两种 金属氧化物 陶瓷作为与碳 弱相互 作用 的对偶 材料 ，选用 Ｓ ｉ Ｃ ￣ ｎ Ｓ ｉ Ｎ 作 为与 碳具 有强相
热障涂层的制备工艺及研究进展
热障涂层的制备工艺及研究进展杨宏波;刘朝辉;丁逸栋;罗火东;余文威【摘要】The technologies for preparation of thermal barrier coatings (TBCs) were reviewed,including plasma spraying (PS),electron beam physical vapor deposition (EB-PVD),flame spraying,electric arc spraying,laser induction hybrid rapid cladding,self-propagating high temperature synthesis (SHS) and suspension plasma spraying (SPS).Their research progress were introduced from the aspect of ceramic top layer and metal bonding layer.The future research directions of new generation ultra-high temperature TBCs was forecasted.%综述了等离子喷涂(PS)、电子束物理气相沉积(EB-PVD)、火焰喷涂、电弧喷涂、激光熔覆、自蔓延高温合成(SHS)、悬浮等离子喷涂(SPS)等制备热障涂层(TBCs)的工艺,介绍了陶瓷面层和金属黏结层这2个方面的研究进展.展望了新一代超高温热障涂层的研究方向.【期刊名称】《电镀与涂饰》【年(卷),期】2017(036)014【总页数】6页(P786-791)【关键词】热障涂层;陶瓷层;金属黏结层;制备;综述【作者】杨宏波;刘朝辉;丁逸栋;罗火东;余文威【作者单位】中国人民解放军后勤工程学院化学与材料工程系,重庆401311;中国人民解放军后勤工程学院化学与材料工程系,重庆401311;中国人民解放军后勤工程学院化学与材料工程系,重庆401311;73501部队,福建漳州 363400;73501部队,福建漳州 363400【正文语种】中文【中图分类】TG174随着现代科学技术的迅猛发展和施工工艺不断改进，很多部件对材料的高温工作性能提出了更高的要求。
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。
MCrAlY_涂层的研究进展
第53卷第7期表面技术2024年4月SURFACE TECHNOLOGY·31·MCrAlY涂层的研究进展门引妮，李进，卢金文，徐研，郭阳阳*（西安瑞鑫科金属材料有限责任公司，西安 710016）摘要：随着发动机的服役温度日益升高，工作环境日益恶劣，涡轮叶片极易在高温环境中氧化，大大降低了叶片的使用寿命。
如何在低成本下制备保护性能好的高温防护涂层，是当前国内外研究的重点。
MCrAlY 包覆涂层可分为NiCrAlY涂层、CoCrAlY涂层和NiCoCrAlY涂层，这3类涂层的抗氧化性能和抗腐蚀性能较好，又有很好的塑韧性和抗热疲劳性能，因此可作为涂层或热障涂层的黏结层材料。
综述了涂层中主要元素（Al、Cr、Co、Y）、掺杂合金元素（Ta、Re、Si、Pt）、涂层制备工艺和预处理工艺对MCrAlY涂层性能的研究进展。
结果表明，可以通过调节MCrAlY涂层的成分来实现涂层性能的调控。
向MCrAlY涂层中掺入Si、Ta和Re等活性元素，可显著提高涂层的抗高温氧化性能，以进一步提高发动机的工作效率和满足高温的工作环境需求。
总结了采用细化涂层晶粒、掺杂纳米颗粒和制备梯度复合涂层等方法来提高MCrAlY 涂层的抗氧化性能和抗腐蚀性能的研究现状，对MCrAlY涂层的发展趋势进行了展望。
关键词：MCrAlY涂层；活性元素；制备工艺；抗氧化性能；抗腐蚀性能中图分类号：TG174 文献标志码：A 文章编号：1001-3660(2024)07-0031-09DOI：10.16490/ki.issn.1001-3660.2024.07.003Research Progress of MCrAlY CoatingsMEN Yinni, LI Jin, LU Jinwen, XU Yan, GUO Yangyang*(Xi'an Rarealloys Co., Ltd., Xi'an 710016, China)ABSTRACT: With the rapid development of aerospace industry, the service temperature of the engine rises gradually, and the working environment gets worse. Turbine blades are easily oxidized in high temperature environment, which greatly reduces the service life of the blades. How to prepare high temperature protective coating with good protective performance at low cost is the focus of research in China and abroad, which is of great strategic significance to national defense security and national economic development. The work aims to present a comprehensive overview of research progress on MCrAlY coatings, which are widely used to protect substrates against oxidation and corrosion in high temperature environment. MCrAlY coating is subdivided into NiCrAlY coating, CoCrAlY coating and NiCoCrAlY coating. These three kinds of coatings have good oxidation resistance and corrosion resistance, as well as good plastic toughness and thermal fatigue resistance, so they can be used as bonding layer materials for coatings or thermal barrier coatings. The research progress on the properties of MCrAlY coating, such as the main elements (Al, Cr, Co, Y), the addition of alloy elements (Ta, Re, Si, Pt), the coating preparation process and the pretreatment process was reviewed. The results showed that different compositions and structures would affect the performance and application range of the coating. The control of coating properties could be realized by adjusting the composition of MCrAlY coating. The addition of alloy elements such as Si, Ta and Re into the MCrAlY coating could significantly improve the收稿日期：2023-04-16；修订日期：2023-09-07Received：2023-04-16；Revised：2023-09-07基金项目：陕西省2023年度秦创原引用高层次创新创业人才项目（QCYRCXM-2023-020）Fund：The 2023 Qin Chuangyuan Citation High-level Innovative and Entrepreneurial Talents Project of Shaanxi Province (QCYRCXM-2023-020)引文格式：门引妮, 李进, 卢金文, 等. MCrAlY涂层的研究进展[J]. 表面技术, 2024, 53(7): 31-39.MEN Yinni, LI Jin, LU Jinwen, et al. Research Progress of MCrAlY Coatings[J]. Surface Technology, 2024, 53(7): 31-39.*通信作者（Corresponding author）·32·表面技术 2024年4月high temperature oxidation resistance of the coating, which was critical for improving the working efficiency of the engine and met the requirements of high temperature working environment. The preparation process and process parameters of the coating would affect its quality and stability. Moreover, various methods were summarized to improve the oxidation resistance and corrosion resistance of MCrAlY coatings, including refining the coating grain size, doping with nanoparticles and preparing gradient composite coatings. By optimizing the coating structure (coating thickness, grain size distribution, etc.), its oxidation resistance and corrosion resistance could be improved. The introduction of nanoparticles into the coating could improve its mechanical properties and spalling resistance. The development trend of MCrAlY coatings was prospected. In conclusion, MCrAlY coatings have exhibited excellent high temperature oxidation and corrosion resistance, making them suitable for harsh working environment. The properties of MCrAlY coatings can be controlled by adjusting their composition and utilizing advanced preparation and pretreatment processes. At present, due to the deterioration of the use environment, higher requirements are put forward for the use temperature of the coating, and the density and porosity of the coating need to be improved by one step. The future development direction of MCrAlY coating includes improving high temperature stability and mechanical properties, developing new coating materials, studying the preparation process and process parameters of coating, exploring its application in new fields, improving the precision control and consistency of coating, exploring the multifunctional application of coating, developing new coating preparation technology and promoting the digital design, prediction and simulation of coating. These directions will bring more opportunities and challenges to the application and development of MCrAlY coatings.KEY WORDS: MCrAlY coating; active element; preparation process; oxidation resistance; corrosion resistance发动机防护涂层到目前已经历了4个发展阶段：第一阶段为简单铝化物涂层；第二阶段为改性铝化物涂层；第三阶段为MCrAlY（M=Co、Ni或NiCo）包覆涂层；第四阶段为热障涂层（TBCs），如图1所示，底层为MCrAlY黏结层，表层为氧化钇、氧化镁或氧化钙稳定的氧化锆陶瓷涂层[1-2]。
热障涂层制备技术及陶瓷层材料的研究进展_魏绍斌
用温度不超过 １１５０℃，且已接近其使用温度极限， 单独使用高温结构材料技术已不能满足先进航空 发动机迅速发展的迫切要求。另一方面，气膜冷却 技术的应用使得热端部件的成型加工工艺越来越 复杂，而且随着高性能发动机的发展，发动机中可 用冷气流量越来越少，依靠气膜冷却技术进一步提 高降温效果已没有太大的空间。采用热障涂层技术 是目前大幅度提高航空发动机工作温度的唯一切 实可行的方法。在美国、欧洲以及我国的航空发动 机推进计划中均把热障涂层（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｂａｒｒｉｅｒ Ｃｏａｔ－ ｉｎｇｓ， ＴＢＣｓ）技术列为与高温结构材料、高效叶片冷 却技术并重的高性能航空发动机高压涡轮叶片技 术的三大关键技术［１］。
寻找更高性能的陶瓷涂层材料， 提高 ＺｒＯ２ 系 热障涂层的寿命极限， 一直是热障涂层研究中的一 个重要方向。其中，在热障涂层中，热导率的研究一 直以来受到研究者的高度重视，包括两个方面的内 容：一是寻找更低热导率的涂层材料；二是在现有 氧化锆陶瓷的基础上，寻找降低热导率的方法。低 热导率热障涂层材料的选择原则如下：（１） 材料本 身具有低的热导率；（２）与铝在热力学上稳定，不发 生化学变化；（３）能产生和稳定一定比例的孔隙。 综合考虑上述的性能要求， 从以往研究的陶瓷材料 来看，可能适用于高温热障涂层的陶瓷材料主要有 氧化锆、氧化锆 ／ 氧化铝、氧化铝、氧化钇 ／ 氧化铈 稳定的氧化锆、莫来石、锆酸镧、稀土氧化物、锆酸 锶、磷酸锆、硅酸锆、钛酸锆陶瓷等，其中氧化钇 ／ 氧化铈稳定的氧化锆整体性能为最好，仍是目前广 泛应用的陶瓷热障涂层。 3.1 新型热障涂层材料
一系列薄饼状涂层片条堆叠而成。同时，由于固体 粉末迅速通过等离子火焰区域，半熔化和未熔化的颗 粒与空穴的存在形成了 ＰＳ 涂层独特的显微结构［５］。
ＡＰＳ 涂层表面较为粗糙，孔隙率一般在 ４％￣２０％。 孔隙率主要来源于堆积的涂层片条间隙，由于粉末 颗粒不完全熔化撞击铺展时形成的不规则形状的 空穴。孔隙率水平可以通过调节喷涂参数来控制。 较高的孔隙率水平可以降低陶瓷涂层的热导率，提 高其隔热效果，是 ＴＢＣｓ 需要的［６］。
热障涂层研究现状的综述
热障涂层研究现状的综述2、鑫芯（杭州）智能科技有限公司浙江杭州摘要：介绍了热障涂层的材料体系及其结构特征，综述了热障涂层的制备技术、失效机理和无损检测技术等方面的研究现状，并指出热障涂层研究领域中的几个重要的研究热点及发展方向。
关键词:热障涂层；制备技术；失效机理；无损检测；研究现状0引言随着科学技术的进步，航空、航天、燃气发电、化工和冶金等众多领域促进了热障涂层的研究与发展。
热障涂层因其良好的耐高温性、较低的热导率、与基底匹配的热膨胀性能，能显著提高航空发动机的效率和推重比。
具备保护关键热端部件能力而获得广泛运用, 成为现代航空设备（燃烧室、进气道、尾喷管等）不可取代的隔热材料。
在航空、航天领域,随着高超音速飞行器的出现及发展,其高温部件表面温度已经远远超过1200℃,需求接近2300℃,因此,具有低导热系数、高热膨胀系数、高温相稳定性、低烧结率和耐高温腐蚀性能的新型陶瓷涂层成为研究的重点和热点。
美国几乎所有的军用和商用航空发动机都采用了TBCs。
近年来，欧美等国家相继制定和实施了“IHPTET”、“VAATE”、“UEET”、“ACME-II”、“AMET”等高性能航空发动机计划，均把发展新型高性能热障涂层技术列为这些计划的主要战略研究目标之一。
新型低热导、耐烧结以及高温稳定的陶瓷材料的研制是近年来热障涂层陶瓷隔热层材料的主要研究方向。
1热障涂层的材料体系典型的热障涂层体系通常包含三层复合涂层：高温合金基体之上的粘结层、热生长氧化物层和陶瓷隔热层[1]。
热障涂层系统要求有良好的隔热效果，又有抗高温氧化及热冲击性能。
针对在腐蚀介质中的特殊要求，还要具有高温耐蚀性能。
因此，新型低热导、耐烧结以及高温稳定的陶瓷材料的研制是近年来热障涂层陶瓷隔热层材料的主要研究方向。
YSZ因其较低的热导率和较高的热膨胀系数成为当前应用最为广泛的热障涂层材料。
YSZ 材料发展至今，已经通过理论计算和实验合成等对其材料性能进行了较为全面的研究。
先进热障涂层的综述
关于先进热障涂层的综述摘要：在过去的几十年中，许多陶瓷材料都被作为新型的热障涂层材料，其中很大一部分都是氧化物。
由于它独特的性能，这些新型化合物很难与最先进的热障涂层材料YSZ相媲美。
另一方面，由于YSZ有一些缺点，尤其是在1200℃以上时它有限的高温性能使得在先进的燃气轮机中YSZ被其他材料所取代。
本篇文献是对不同新型涂层材料的综述，尤其是参杂氧化锆、烧绿石、钙钛矿和氯酸盐等材料。
文献的结果还有由我们的研究调查得出的结果都将同我们的要求相比较。
最终，我们将讨论双层结构这个概念。
它是一种克服新型热障涂层材料冲击韧性的方法关键词：热障涂层、氧化锆、烧绿石、钙钛矿、氯酸盐、热导率一、简介TBC系统是典型的双层式结构，它包括金属粘结层和陶瓷顶层。
粘结层是保护基层氧化和腐蚀的并有改善陶瓷层和基层之间结合强度的作用。
陶瓷顶层相比金属机体而言拥有很低的热传导率，通过内冷发陶瓷层可以实现一个很大的温差度（几百K）。
因此，它既可以降低金属基体的温度以提高部件的使用寿命又可以提高涡轮发动机的点火温度来提高它的工作效率。
自19世纪50年代第一个军用发动机搪瓷涂层的制造起热障涂层开始了工业化发展。
在19世纪60年代，第一个带有NiAl粘结层的火焰喷涂陶瓷涂层应用于商业航空发动机上。
接下来的几十年中，热障涂层材料和喷涂技术持续的发展。
19世纪80年代热障涂层迅猛发展。
在这十年中，氧化钇稳定的氧化锆（YSZ）被认为是一种特殊的陶瓷顶层材料，因为它作为一个近30年来的标准而被确立。
根据沉积工艺的不同，已经确立了两种不同的方法。
一种是电子束物理气相沉积（EB-PVD），另一种是大气等离子喷涂（APS）。
电子束物理气相沉积法制备的涂层拥有柱状显微结构并被广泛应用于航空发动机的高热机械载荷叶片中。
同电子束物理气相沉积法相比，大气等离子喷涂以它的操作粗放度及经济可行性为傲，因此现在更多的TBC 采用这种方法。
典型静态部件，像燃烧器罐和叶片平台都是用APS进行喷涂。
热障涂层失效机制及其清洗技术研究进展
热障涂层失效机制及其清洗技术研究进展郑海忠， 曹新鹏， 耿永祥（南昌航空大学 材料科学与工程学院，南昌 330063）[摘 要]热障涂层（thermal barrier coatings ，简称TBCs ）是提高航空发动机涡轮叶片工作温度的有效途径之一，然而在其使用过程中，由于受到热冲刷、高温腐蚀等因素而使其脱落失效，故而影响了航空发动机的工作效率。
本文首先分析了热障涂层的失效机制，阐明不同失效机制下热障涂层状态，总结了目前失效热障涂层的清除方式，重点探讨了激光清洗在热障涂层中的应用前景及未来发展趋势，为失效热障涂层的去除提供新的技术方案。
[关键词]热障涂层； 失效机制； 激光清洗[中图分类号] TN249 [文献标志码] A doi ：10.3969/j.issn.2096-8566.2021.01.001[文章编号]2096-8566(2021)01-0001-08Research Advance in Failure Mechanism of Thermal BarrierCoatings and Cleaning TechnologyZHENG Hai-zhong ， CAO Xin-peng ， GENG Yong-xiang（School of Materials Science and Engineering, Nanchang Hangkong University, Nanchang 330063, China ）Abstract : Thermal barrier coating is one of the effective ways to improve the working temperature of aero-engine turbine blades.However, due to thermal erosion, high-temperature corrosion and other factors, failure and falls off often occur during its service,thus affecting the working efficiency of aero-engine. In this paper, the failure mechanisms of thermal barrier coating are firstly analyzed, and the final state of thermal barrier coating under different failure mechanisms are clarified; then the current cleaning methods of thermal barrier coating are summarized; finally, the application prospect and future development trend of laser cleaning in thermal barrier coating are emphatically discussed, which provides a new technical scheme for the removal of thermal barrier coating.Key words: TBCs ； failure mechanism ； laser cleaning引 言航空发动机作为工业皇冠上的明珠，在航空工业发展中占据着举足轻重的地位。
热障涂层隔热性能研究进展
发展 方 向。
命 。高温 相变 和烧 结导致 涂层 失 效 ］ ， 已难 以满足 涡 轮进 口温 度进 一步 提高 的需要 。 为 了再提 高燃 气 轮 机 的效 率 ， 人们 依 旧在 寻 找 隔 热性 能更 好 的热 障涂层 材料 。良好 热 障涂层 一 些重 要
备 与涂层 后处 理工 艺 、 新 型 的组织 与结构 设计 等 。 高温 条件 下 ， 涂层 传 热 主 要 为 晶格 传 热 与辐 射 传 热， 提高 隔热性 能 ， 关 键 是 降低 声子 的平 均 自由程 ， 平 均 自由程 主要 由声 子 间碰撞 引起 的散射 和声 子 与 晶体
为 了使 燃气 轮 机适 应 这 一 恶 劣 的 工作 环 境 ， 降低 热端 部 件 的工作 温度 ， 防止部 件 的高温腐 蚀 ， 提 高燃 气 轮机
功率， 减 少燃 油 消 耗 ， 热 障涂 层 （ Ｔ Ｂ Ｃ ｓ ） 受 到广 泛 的研
降低 声子 平均 自由程与 辐射 ， 表现 为降 低材 料 热导 率 。 Ｄ ａ ｖ ｉ ｄ Ｒ ． Ｃ ｌ ａ ｒ ｋ ｅ ＿ ８ 综合 涂 层 各 种 因 素推 导 出在 选 择 低
热导 率 热 障 涂 层 材 料 时 如 果 满 足 ｜ ０ 。 Ｅ 。 ／ （ Ｍ／ ｍ） 。 取得 最小 值 ， ｐ为密度 ， Ｅ 是弹性 模量 ， Ｍ 是 分 子质 量 ， ｍ 是 一个 分子 中所 含 的 原子 数 ， 也 就 是 当材 料满 足 大
的分 子 量 ， 复杂 的 晶体 结构 ， 无 方 向性 的键 合 ， 每 个 分
中 图分Ａ
热性 能 的主要 研 究 方 向包 括 开 发 新 材料 、 探 索 新 的制
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；热喷涂方法则包括等离子喷涂、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阻挡能力，可以通过热流测量仪等设备进行测试；力学性能则包括涂层的硬度、粘结强度等指标；耐热性能则是指涂层在高温环境下的稳定性和寿命。
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，喷气发动机的燃烧室和涡轮叶片等部件常采用热障涂层进行保护，以提高其耐高温性能和寿命。
此外，航天器的外壳也可以采用热障涂层来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体现在燃气轮机和燃煤锅炉等设备上。
燃气轮机的燃烧室和涡轮叶片等部件需要具备良好的耐高温性能，热障涂层可以提供有效的隔热保护。
燃煤锅炉的炉膛内壁也可以采用热障涂层来提高燃烧效率和减少烟气排放。
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和排气系统等部件上。
发动机的活塞、气缸盖等部件需要具备良好的耐高温性能，热障涂层可以提供有效的隔热保护。
排气系统的排气管和涡轮增压器等部件也可以采用热障涂层来提高热效率和减少能量损失。
航空发动机涡轮叶片热障涂层研究现状再探讨
航空发动机涡轮叶片热障涂层研究现状再探讨航空发动机涡轮叶片热障涂层研究现状再探讨导言：航空发动机的性能和可靠性对飞机的运行至关重要。
在发动机的高温工作环境下，涡轮叶片是承受最高温度和压力的部件。
为了保护涡轮叶片不受高温环境的损害，热障涂层技术应运而生。
本文将对航空发动机涡轮叶片热障涂层的研究现状进行深入的探讨，并提供自己的观点和理解。
1. 热障涂层的概念和作用热障涂层是一层应用于涡轮叶片表面的陶瓷涂层，其主要作用是减少涡轮叶片的工作温度，防止高温热量对涡轮叶片的热疲劳和氧化损伤。
热障涂层的微孔结构可以形成隔热层，将热量和气体分离，有效降低涡轮叶片的工作温度。
2. 热障涂层的组成和制备方法热障涂层通常由两层构成：粘结层和陶瓷层。
粘结层用于将涂层牢固地附着在涡轮叶片表面，而陶瓷层则是实际起到隔热作用的层次。
常用的制备方法包括物理气相沉积（Physical Vapor Deposition，PVD）、化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition，CVD）和等离子喷涂（Plasma Spraying）。
不同的制备方法有着不同的特点和应用范围。
3. 热障涂层的工作原理和性能评估热障涂层的工作原理主要有热障效应、潜热效应和氧化膜效应。
热障效应通过减缓热量传递来降低涡轮叶片的工作温度，而潜热效应则通过蒸发水分吸收热量来进一步降温。
氧化膜效应则是指陶瓷层表面形成的氧化膜可以起到一定的隔热作用。
热障涂层的性能评估可通过材料的热导率、热膨胀系数、气孔率等参数来衡量。
此外，热障涂层的附着力、抗剥离性和耐热性也是评估其性能的重要指标。
4. 热障涂层的改进和应用展望当前，热障涂层的改进主要集中在提高隔热性能、增强涂层的附着力和耐腐蚀性。
新型材料的研究和开发，如陶瓷复合涂层和导热性较低的材料，有望在提高热障涂层性能方面发挥重要作用。
此外，随着航空发动机工作温度的进一步提高，热障涂层技术也需要不断创新和改进。
热障涂层无损检测技术进展
热障涂层无损检测技术进展刘战伟;朱文颖;石文雄;谢惠民【摘要】热障涂层(TBC)是航空航天发动机涡轮叶片的主要防护材料,对其进行表面裂纹缺陷和界面脱粘缺陷的无损检测具有重大意义.对热障涂层的传统检测方法(如渗透检测、涡流检测、超声或超声显微检测等),以及新型红外热成像方法在内的无损检测方法进行了介绍和归纳,重点介绍了光激励、涡流激励和超声激励3种主动式红外热成像无损检测技术.其中,对激光扫描热成像法进行了详细介绍,该方法具有非接触、操作简单、灵敏度高、全场范围内检测快速的优点,能够实现宽度为10μm以上的裂纹和直径为1mm以上脱粘缺陷的无损检测;透射式涡流热成像具有识别小于1mm脱粘缺陷的能力.【期刊名称】《航空制造技术》【年(卷),期】2016(000)004【总页数】5页(P43-47)【关键词】热障涂层(TBC);激光扫描热成像法;涡流热成像法;超声热成像法;后处理方法【作者】刘战伟;朱文颖;石文雄;谢惠民【作者单位】北京理工大学宇航学院,北京100081;北京理工大学宇航学院,北京100081;北京理工大学宇航学院,北京100081;北京理工大学宇航学院,北京100081【正文语种】中文刘战伟北京理工大学宇航学院教授、博导，长期从事试验力学和无损检测技术研究。
2008年以居里学者身份赴英国TWI无损检测部开展2年合作，发表SCI/EI 论文50余篇，授权国家发明专利12项，获教育部技术发明一等奖1项。
涡轮发动机是航空飞行器和工业燃气轮机的关键核心部件[1-2]，涡轮发动机的主要材料是镍基合金，其耐高温度为1000℃，不能满足工作需求。
为保护发动机，发展了热障涂层（TBC）。
涂覆TBC的发动机叶片能在1600℃高温下运行，提高发动机60%以上的热效率，有效地增加推重比[3]，这使得TBC逐渐应用在核反应堆、航空发动机等许多领域[4-6]。
然而，TBC是一种由基底、粘结层及陶瓷层组成的多层结构系统，各层有明显不同的物理、热、机械性能，复杂的结构和苛刻的工作环境使得TBC在使用过程中易产生表面裂纹缺陷和界面脱粘缺陷，而TBC的一些固有特性（如多孔性、较薄的厚度）使传统无损检测方法存在技术和检测效率的局限。
等离子物理气相沉积热障涂层研究进展
研究现状
随着科技的不断发展，MOCVD技术的研究和应用领域已经涉及到多个领域。 在半导体领域，MOCVD技术主要应用于制备Ⅲ-V族化合物半导体材料，如GaAs、 InP等。此外，MOCVD技术还被广泛应用于太阳能电池、LED等领域。近年来，研 究者们还尝试将MOCVD技术应用于生物医学领域，如生物传感器、药物传递等。
一等离子喷涂纳米陶瓷热障涂层 的制备及其性能测试方法
Hale Waihona Puke 等离子喷涂纳米陶瓷热障涂层的制备通常采用物理气相沉积法，将纳米陶瓷 材料通过等离子体加热至高温，使其熔融并喷射到基体表面形成涂层。在制备过 程中，等离子体的温度和电流、纳米陶瓷材料的性质和浓度、喷射速度和角度等 因素都会影响涂层的组织和性能。
为了评估等离子喷涂纳米陶瓷热障涂层的性能，需要进行一系列测试。其中， 热导率、热扩散系数、热膨胀系数和硬度是常见的性能指标。这些性能指标可以 通过激光热导仪、闪光灯热扩散系数测定仪、X射线衍射仪和硬度计等设备进行 测量。通过这些测试，可以获取涂层的热学、力学和结构等方面的性能数据。
结论：本次演示通过金相观察、扫描电镜和XRD等技术手段，研究了钼基体 表面气相沉积钨涂层的微观结构。研究发现，钨涂层具有明显的层次结构和较高 的致密度，与基体具有良好的界面结合力，且钨涂层的硬度高于基体。这些结果 表明，气相沉积法制备的钨涂层具有较好的保护和强化效果。然而，本研究仍存 在一定局限性，未来应进一步拓展实验内容，综合评价钨涂层的各种性能。
结论
本次演示介绍了等离子物理气相沉积热障涂层的研究进展，总结了当前的制 备方法、材料选择和工艺参数等方面的研究现状。探讨了该领域在研究方法和成 果方面的不足以及未来的研究方向和前景。热障涂层作为高温防护材料的重要研 究方向，具有广泛的应用前景和重要的研究价值。未来需要深入开展基础理论研 究，优化制备工艺，探索新型涂层材料，并加强集成效应研究，以推动等离子物 理气相沉积热障涂层技术的进一步发展。
高温热障涂层材料研究进展
高温热障涂层材料研究进展
汪俊;张宇轩;种晓宇;张志彬;梁秀兵;冯晶
【期刊名称】《中国有色金属学报》
【年(卷),期】2022(32)12
【摘要】超高温、高隔热、长寿命热障涂层材料的研制已成为高温热防护涂层领域的研究热点。
概述了常用热障涂层材料和典型潜在热障涂层材料的热力学性能,综述了其优点和不足。
此外,本工作研究了稀土钽酸盐RETaO_(4)在1400℃时的抗CMAS腐蚀性能,同时利用交流阻抗仪测试YTaO_(4)和YSZ在600~900℃的电导率,并研究了YTaO_(4)涂层系统中热生长氧化物(TGO)的生长速率。
结果表明:与YSZ相比,RETaO_(4)具有较强的抗CMAS腐蚀性能和较低的氧离子电导率,降低了黏结层的氧化速率和TGO的生长速率。
最后,展望了TBC未来的发展方向:氧绝缘性和氧离子的传输机理、涂层结构优化、抗CMAS腐蚀和高温相稳定性。
【总页数】22页(P3758-3779)
【作者】汪俊;张宇轩;种晓宇;张志彬;梁秀兵;冯晶
【作者单位】昆明理工大学材料科学与工程学院;中国人民解放军军事科学院国防科技创新研究院
【正文语种】中文
【中图分类】TG174.4
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5.新型热障涂层用陶瓷材料及涂层性能计算机数值模拟研究进展
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热障涂层后处理技术研究进展
热障涂层后处理技术研究进展
李灿锋;张盼盼;姚建华;张群莉;Volodymyr Kovalenko
【期刊名称】《材料研究与应用》
【年(卷),期】2022(16)1
【摘要】热障涂层是一种降低航空发动机热端部件表面温度、提高发动机推力和效率的热防护技术,但其服役于高温、高压、高交变应力等恶劣环境而易脱落失效.对热障涂层的后处理技术进行了阐述,论述了真空热处理、热等静压处理、激光重熔、激光上釉、激光熔覆等后处理技术的方法和原理,并对比了不同工艺的优缺点.最后,展望了激光表面改性技术的应用前景和未来发展趋势.
【总页数】9页(P48-56)
【作者】李灿锋;张盼盼;姚建华;张群莉;Volodymyr Kovalenko
【作者单位】浙江工业大学激光先进制造研究院;浙江工业大学高端激光制造装备省部共建协同创新中心;浙江工业大学机械工程学院;乌克兰国立科技大学激光技术研究所
【正文语种】中文
【中图分类】TN205
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