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)04-0085-15
DOI：10.16490/ki.issn.1001-3660.2023.04.006
Research Progress of Advanced Structural Design
of Thermal Barrier Coatings
LIU 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 of
Science 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：2022–04–25
Received：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。

Biography：LIU Jia-hang (1997-), Male, Postgraduate, Research focus: thermal barrier coating.
通讯作者：吕哲（1987—），男，博士，副教授，主要研究方向为热障涂层、热喷涂技术。

Corresponding author：LYU Zhe (1987-), Male, Doctor, Associate professor, Research progress: thermal barrier coating, thermal spraying technology. 引文格式：刘嘉航, 吕哲, 周艳文, 等. 热障涂层先进结构设计研究进展[J]. 表面技术, 2023, 52(4): 85-99.
LIU Jia-hang, LYU Zhe, ZHOU Yan-wen, et al. Research Progress of Advanced Structural Design of Thermal Barrier Coatings[J]. Surface Technology, 2023, 52(4): 85-99.
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of thermal barrier coatings have also been fully developed and the corresponding use effect has been improved. Research on the structural design of thermal barrier coatings at domestic and abroad and the associated performance is presented, and research progress on the advanced structural design of thermal barrier coatings is discussed.
Starting from the traditional single-layer laminate structure, the principles of preparing various structural thermal barrier coatings were explained, and the morphological characteristics and performance advantages and disadvantages of various structural thermal barrier coatings were clarified. Based on these four advanced structures, the state of the art in structural design of thermal barrier coatings at home and abroad was investigated. Through the comparison of these technical levels, the research progress in the direction of structural design of thermal barrier coatings at the present stage was affirmed, the shortcomings of structural design of thermal barrier coatings at the present stage were clarified, and the future development direction of structural design of thermal barrier coatings was indicated.
Advanced structures for thermal barrier coatings included double-layered structures, columnar structures, vertical cracked structures and composite structures, where composite structures included laser surface modified structures, gradient coating structures and powder mosaic structures. The double-layered structure was the most commonly used advanced structure for thermal barrier coatings due to its simplicity of preparation, low thermal expansion differences within the coating and low thermal expansion mismatch stress. Columnar structures were usually obtained using physical vapor deposition, where the presence of inter-columnar gaps provided additional strain space for the coating and relieved the internal stresses of the coating.
Vertical cracks in thermal barrier coatings could also provide additional strain relief and increase coating life, but they were difficult to be prepared and it was difficult to obtain uniformly distributed vertical cracks of controlled depth using atmospheric plasma spraying. Laser surface modification structures were used to remelt the surface of the ceramic layer by laser in order to obtain a flat surface and a dense internal melt layer, which effectively blocked the penetration of molten corrosion into the interior of the coating and provided good protection for the internal coating. Gradient coating structure was a multi-layer composite structure with gradient changes in coating composition, which had no obvious inter-layer interface and regular changes in internal microstructure, which could effectively reduce the difference in thermal expansion coefficients between different materials within the coating, relieve internal stress and increase the thermal shock resistance of the coating under high temperature environment. The powder mosaic structure was a new design of thermal barrier coating structure developed in recent years. By inlaying agglomerated powder inside the ceramic layer, relying on the large number of microscopic pores inside the agglomerated powder, it can improve the thermal insulation performance, sintering resistance and thermal shock resistance of the coating.
At present, with the development of thermal barrier coating materials and preparation methods at home and abroad, certain progress has been made in the structural design of thermal barrier coatings, however, there are still certain defects in the actual preparation and application of these advanced structures that need to be remedied. In the future, with the continuous development of coating preparation technology and multi-environmental coupling detection technology, the development of thermal barrier coatings in terms of structural design will be more comprehensive.
KEY WORDS: thermal barrier coatings; structural design; microstructure; preparation method; functional performance;
research progress
随着航空航天技术的不断进步，航空发动机开始向更高推重比、更高燃油使用效率及更长使用寿命的方向发展，为了实现此目的需要不断提高涡轮前进口的温度[1-2]。

以涡轮发动机叶片为例，为了保证叶片在高温环境中的长时间稳定工作，采用能够耐1 000 ℃以上高温的镍基高温合金作为发动机叶片的材料[3]。

由于先进涡轮发动机的进口温度高达2 200 K，因此只通过在叶片内部开设导气通道已不能将其表面温度降至极限使用温度以下[4]。

为了满足镍基高温合金的使用要求，美国国家航空航天局于20世纪50年代提出了热障涂层（Thermal barrier coatings, TBCs）概念，用于极端环境条件下的金属部件防护[5-6]。

热障涂层是一种复杂的多层涂层，用于航空航天工业中提供隔热并降低发动机热端部件的表面温度[7]。

传统的热障涂层体系通常包括4个部分：耐高温的合金基材、具有优异抗氧化性和耐腐蚀性的金属黏结层（Bond Coat, BC）、防止氧气扩散的热生长氧化物（Thermal Grown Oxide, TGO）、为热端部件提供良好隔热效果的陶瓷面层（Top Coat, TC）[8]。

使用最广泛的热障涂层制备方法有大气等离子喷涂（Air
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Plasma Spray, APS）和电子束−物理气相沉积（Electron Beam-Physical Vapor Deposition, EB–PVD），其中的大气等离子喷涂方法因其较低的制备成本而被广泛应用[9]。

陶瓷层的性能直接影响热障涂层的耐高温性能、使用寿命及发动机推重比，目前使用最广泛的陶瓷材料为氧化钇部分稳定氧化锆（Yttria Partially Stabilized Zirconia, YSZ），较低的热导率使其具有良好的隔热性能、较高的热膨胀系数，减少了高温环境下涂层内部积累的残余应力，较高的断裂韧性使其内部裂纹不易发生扩展，使得涂层在工作环境中能保持良好的效果[10-12]。

随着发动机推重比的不断提高，当涡轮发动机的前进口温度达到1 200 ℃以上时，涂层中的t'−ZrO2会分解为t−ZrO2和c−ZrO2。

t−ZrO2在此温度下发生了t→m相变，相变产生的3%~5%的体积膨胀会导致涂层内部积累较大的残余应力[13-14]。

另外，在高温环境下YSZ会发生烧结，导致涂层内部应变容限及断裂韧性降低，残余应力更容易通过裂纹扩展的方式释放，最终导致涂层的大面积脱落[15]。

为了满足涡轮发动机的使用环境，研究人员开始开发和研究更先进、更耐高温、更高效的新型陶瓷材料，以取代YSZ。

目前有许多新型热障涂层材料，如多元稀土氧化物掺杂氧化锆、拥有萤石和烧绿石结构的稀土锆酸盐、稀土六铝酸盐、稀土磷酸盐和钙钛矿结构陶瓷材料等[16-20]。

然而，这些材料的热膨胀系数均较低，如果将其直接在黏结层表面进行制备，会因为层间较大的热膨胀系数差异使得涂层内部积累较大的热膨胀失配应力，导致涂层内部裂纹扩展，最终失效[21-22]。

为了提高新型热障涂层材料的使用效果，研究人员对热障涂层结构进行了设计。

单层层状结构YSZ热障涂层具有较低的制备成本、便捷的制备方式及较低的层间热膨胀失配应力，成为目前使用最为广泛的热障涂层结构，但是在高温环境下氧化锆相变和烧结会造成涂层的失效，且热膨胀系数和断裂韧性较差的新型陶瓷材料无法作为顶部陶瓷层在黏结层表面制备[23]。

为了提高新型陶瓷材料热障涂层在高温环境下的使用性能，研究人员开始研究更为先进的双层层状结构、柱状结构、垂直裂纹结构及复合结构的热障涂层，通过减小高温环境下层与层之间的热膨胀系数差异，从而减少涂层的应力，增加涂层在高温环境下的使用寿命。

文中综述了近年来在热障涂层结构设计方面的研究进展，并讨论了未来热障涂层结构的发展趋势。

1 层状结构
层状结构热障涂层通过大气等离子喷涂方式制备，其制备原理如图1所示。

在喷涂过程中，位于等离子射流内部的陶瓷粉末熔化成液滴状，具有极高飞行速度的陶瓷液滴在碰撞到黏结层表面后，迅速铺展成片状形态。

由于陶瓷液滴与黏结层之间具有较大的温差，从而使得液滴迅速放热凝固，最终形成层状结构[24]。

Wang等[25]分析了大气等离子喷涂功率对YSZ 陶瓷沉积片的影响，并使用扫描电镜对不同功率的沉积片形貌进行了表征，结果表明，当功率较低或较高时沉积的陶瓷沉积片的坚固性较差，只有当功率处于中间值时可以获得扩散均匀的陶瓷沉积片。

虽然Wang等说明了中值功率可以有效改善层状结构形貌，但是在实际制备环境下，只有位于等离子射流外部的粉末可以充分受热，并以良好的熔融状态沉积在黏结层表面。

位于等离子射流内部的粉末因加热效果较差，无法充分熔融，因此大气等离子喷涂的制备参数对制备具有良好层状结构的热障涂层至关重要，且针对不同陶瓷材料选择最合适的涂层制备参数是层状结构热障涂层的重要发展方向。

典型层状结构热障涂层的横截面形貌如图2所示[26]。

其内部具有较多的微裂纹、孔隙及部分熔融粉末。

这是因为在热喷涂过程中，位于等离子射流外部的陶瓷粉末充分熔融成液滴，高温液滴在碰撞到低温黏结层时迅速冷却，较快的冷却速度导致陶瓷片内部应力积累，随着涂层温度的降低，涂层内部的应力通过裂纹的形成和扩展的方式释放[27]。

位于等离子射流内部的陶瓷粉末受热较差，以未熔融或部分熔融状态在涂层内部堆叠，形成了微观孔隙。

孔隙的存在为声
图1 层状结构热障涂层制备原理[24]
Fig.1 Schematic diagram for preparation of layered structured thermal barrier coatings[24]
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表 面 技 术 2023年4月
图2 典型层状结构热障涂层的横截面形貌26]
Fig.2 Cross-sectional morphology of typical layered thermal barrier coatings: a) morphology of as-sprayed
traditional YSZ coating; b) morphology of as-sprayed traditional YSZ ceramic layer; c) as-sprayed traditional YbYSZ coating; d) morphology of as-sprayed traditional YbYSZ ceramic layer [26]
子的散射提供了空间，通过降低声子的平均自由程来降低涂层的热导率，涂层内部的水平裂纹可以阻碍热流的传导，提高涂层的隔热性能[28-29]。

另外，当涂层在高温环境下使用时，涂层内部的裂纹可以有效地提高涂层的形变容限，减少涂层在工作环境下的内部应力积累；内部孔隙可以提高涂层的断裂韧性，当裂纹扩展到孔隙边缘位置时，裂纹尖端的应力会通过孔隙释放，减缓裂纹的扩展[26,30]。

虽然涂层内部的裂纹和孔隙可以优化涂层的隔热性能和断裂韧性，但是这些缺陷的存在也为氧气和熔融腐蚀盐的渗透提供了通道，加快了TGO 的生成及涂层的腐蚀速度，导致涂层过早失效。

层状结构热障涂层主要包括2种，分别为单陶瓷层结构和双陶瓷层结构。

单陶瓷层结构热障涂层具有制备成本低、制备方式简单等优点，成为使用最为广泛的热障涂层结构。

由于单层结构需要将顶部陶瓷层直接制备在黏结层表面，因此通常会选择热膨胀系数较高的YSZ 作为顶部陶瓷层原料，用于减少陶瓷层与黏结层之间的热膨胀系数差异，减少工作环境下涂层内部的热膨胀失配应力。

虽然单陶瓷层热障涂层的应用较广泛，但随着发动机涡轮前进口温度的升高，其使用缺陷也逐渐凸显。

首先，当温度高于1 200 ℃时氧化锆会发生相变和烧结，使其无法在高温环境下
使用。

另外，所有稀土锆酸盐新材料热障涂层的热膨
胀系数和断裂韧性都远小于金属黏结层。

若将其直接制备在黏结层表面，则陶瓷层与黏结层之间较大的热膨胀系数差异会增加涂层内部的应力，其高温使用效果远不如单层YSZ 。

为了充分发挥YSZ 和稀土锆酸盐的优点，研究人员开发了双陶瓷层结构，以优化新材料热障涂层的综合性能。

双层结构热障涂层主要应用于力学性能较差的新陶瓷材料，通过在黏结层与新材料陶瓷层之间制备一层YSZ 涂层，以减小层间热膨胀系数的差异，缓解涂层内部应力。

Jung 等[31]使用大气等离子喷涂在镍基黏结层与顶部YGYZ （Yb-Gd-Y-Stabilized Zirconia, YGYZ ）陶瓷层之间制备了高纯度YSZ 中间层，以减小热膨胀差异，缓解失配应力，实验结果如图3所示。

双层结构YGYZ 涂层在喷气式发动机试验中可达2 000次循环，远高于单层YGYZ 涂层的350~678次循环。

Wang 等[32]使用有限元软件模拟了La 2Zr 2O 7/YSZ 双层涂层和单层La 2Zr 2O 7涂层在高温环境下的残余应力，结果表明，双层结构热障涂层内部积累的残余应力更低，涂层内部裂纹不易扩展，说明双层结构设计可以有效减少涂层的脱落，提高涂层在高温环境下
的使用寿命。

Guo 等[33]
使用大气等离子喷涂方式制备了La 2Zr 2O 7/YSZ 双层涂层和La 2Zr 2O 7单层涂层，并
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对比了2种涂层的热循环寿命，结果表明，在1 232 ℃循环条件下，YSZ涂层因其优异的缓冲作用提高了双层涂层的使用寿命。

为了判断双层涂层各层厚度对热障涂层高温使用寿命的影响，Bobzin等[34]制备了总厚度相同但La2Zr2O7/YSZ厚度比例不同的热障涂层系统，并在1 150 ℃的环境下进行热震试验，以测试不同厚度比例涂层的性能。

结果表明，在1 150 ℃环境下，La2Zr2O7/YSZ的厚度比为0.3的涂层寿命达到267次，而La2Zr2O7/YSZ的厚度比为3的涂层在循环3次后就发生了大面积脱落现象。

YSZ中间层厚度的增加可以从2个方面优化双层涂层的使用效果：YSZ 较高的热膨胀系数缓解了顶层与黏结层之间的热膨胀差异，减小了热膨胀失配应力；YSZ厚度的增加降低了顶层裂纹扩展的能量释放率，降低了裂纹增长的驱动力。

对于非稀土元素掺杂的陶瓷材料同样可采用双层结构设计，提高其作为热障涂层材料的应用潜力。

Mg2SiO4具有优异的高温相稳定性、良好的力学性能及较低的热导率，但是较差的化学相容性限制了Mg2SiO4在热障涂层领域的应用，它在高温环境下会与黏结层反应生成MgCr2O4，使其无法直接在黏结层表面制备。

为此，Chen等[35]设计并制备了双层Mg2SiO4/YSZ热障涂层，并对涂层的性能进行了分析，结果如图4所示。

双层结构设计从2个方面对Mg2SiO4的使用效果进行了优化，首先YSZ优异的化学相容性避免了Mg2SiO4与黏结层发生反应，使Mg2SiO4在工作条件下可以保持其内部结构；其次YSZ作为中间层缓解了不同材料之间的热膨胀失配，并为涂层内部应力的释放提供了空间，优化了涂层的热力学性能。

目前，关于双层结构热障涂层的研究主要集中在通过YSZ的优异力学性能缓解陶瓷材料之间较大的热膨胀系数差异，仍有一些方向未进行充分研究。

首先，不同晶体结构的新型陶瓷材料具有不同的热膨胀系数和断裂韧性。

如果不考虑顶部陶瓷层的材料特性，一味地增加YSZ中间层的厚度，虽然可以有效
图3 喷气式发动机试验后的横截面微观结构[31]
Fig.3 Cross-sectional microstructures after JETS tests[31]: a) single-layered coating;
b) double-layered coatings with the buffer layer of high purity
图4 单层Mg2SiO4、单层YSZ以及双层Mg2SiO4/YSZ涂层性能对比[35]
Fig.4 Performance comparison of single-layer Mg2SiO4, single-layer YSZ, and double-layer Mg2SiO4/YSZ coatings[35]: a) bond strength; b) thermal cycle life
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减小顶部陶瓷层的内部应力，但无法充分发挥新型材料优异的隔热性能，在高温环境下仍会使YSZ中间层发生烧结和马氏体相变，从而破坏涂层在高温环境下的使用寿命。

如果YSZ中间层的厚度太薄，则无法将顶部陶瓷层内部应力降低到应力极限范围内。

由此可见，根据材料特性设计出具有最优性能的厚度比例是双层热障涂层的重要发展方向。

其次，双层涂层比单层涂层额外增加了一个层间界面，涂层在高温环境下工作时会在黏结层表面生成TGO，随着TGO厚度的增加涂层内部会出现压应力与拉应力方向的变化。

如果层间界面的粗糙度较大，则会在中间层顶部凸起位置出现较大的应力集中。

当应力达到极限时，会在顶部陶瓷层内部出现裂纹并扩展，会对涂层的高温使用寿命产生不利影响。

如果界面位置粗糙度较低，则顶部陶瓷层与中间层之间的机械链接强度较弱，在热循环过程中容易形成分层裂纹，导致涂层出现片状脱落，因此关于双层结构热障涂层的层间界面设计同样是其重要的研究方向。

2 柱状结构
柱状结构热障涂层示意图如图5所示[36]。

相较于层状结构热障涂层，柱状结构热障涂层具有以下优点：柱间缝隙的存在使得热障涂层具有更大的应变空间，在高温环境下陶瓷柱状晶可以利用柱间缝隙的膨胀，减少涂层内部应力的积累，从而提高涂层的抗热震性能[37]；涂层的界面以化学键为主，以机械连接为辅，增加了黏结层−陶瓷层界面位置的结合强度及陶瓷层内部的拉伸强度，优化了涂层的力学性能[38]；柱间间隙的存在，使涂层不会封堵冷却气体的通道，有利于发动机叶片的降温，使叶片保持良好的动力学性能[39]；相较于层状热障涂层的粗糙表面，柱状结构热障涂层的表面光洁度较高，不利于熔融腐蚀物在涂层表面的附着[36]。

图5 柱状结构热障涂层示意图[36]
Fig.5 Schematic diagram of cylindrical
thermal barrier coatings[36]
柱状结构热障涂层的制备主要包括EB–PVD和PS–PVD（Plasma Spray-Physical Vapor Deposition, PS-PVD）2种方式。

EB–PVD方式是将陶瓷靶材以气态原子的形式沉积在黏结层表面，使其以垂直于基体的方向择优生长为柱状结构。

Tian等[40]通过EB–PVD 制备了8YSZ柱状结构热障涂层，并与层状结构热障涂层进行了性能比较，结果表明，柱状结构的存在将涂层的弹性模量降低到90 GPa，将陶瓷层与黏结层之间的结合强度提高到40 MPa。

这些优异的力学性能使其具有优异的热震寿命，为层状YSZ热障涂层的1.5倍。

与EB–PVD不同的是，PS–PVD以气态原子和团簇的形态被输送到基体表面，通过三维岛状生长方式发展为柱状晶结构的涂层，独特的涂层生长方式使其具有EB–PVD的柱状结构及APS的层状结构。

Rezanka等[41]使用PS–PVD制备了具有羽−柱状结构的YSZ热障涂层，在表面1 250 ℃/基底1 050 ℃的火焰热循环条件下其使用寿命达到了传统层状YSZ 热障涂层的2倍。

Yang等[42]分析了PS–PVD羽−柱状结构热障涂层在热循环过程中TGO的生长对陶瓷层内部应力的影响，结果表明，TGO的生长会增加涂层表面的压应力，但压应力并不会随着TGO的生长持续增加，在20次热循环后涂层内部压应力保持在某数值。

在层状热障涂层中，陶瓷层内部压应力会随着TGO厚度的增加而增加，直到内部积累的应力达到极限，开始通过裂纹的扩展与陶瓷层的脱落释放应力。

由于羽−柱状结构涂层具有积累内部应力的特点，在热循环过程中其内部应力会长时间稳定在极限数值以下，使其拥有优异的使用寿命。

综上所述，柱状结构可以有效提高热障涂层的力学性能，延长其在高温环境下的使用寿命，但柱间间隙的存在为热流的传导提供了路径，减小了涂层内部声子散射空间，对涂层的隔热性能造成了不利影响，并且空隙的存在为氧气及熔融腐蚀物的渗透提供了大量的通道，削弱了涂层的抗腐蚀和抗氧化性能。

为了避免柱间间隙对热障涂层抗腐蚀性能的削弱，Zhang等[43]设计并制备了Al2O3改性PS–PVD热障涂层，通过磁控溅射技术在涂层表面制备Al薄膜，以阻止氧气与熔融CMAS的渗透。

改性涂层的制备过程及涂层微观结构如图6所示，厚度为600 nm的Al2O3致密层充分覆盖在涂层顶部，并且未填充柱间间隙。

在提高了涂层抗腐蚀和抗氧化性能的同时，保留了涂层内部的应力释放空间，大幅度提高了涂层的使用寿命。

对比了Al2O3改性PS–PVD热障涂层与其他YSZ涂层在不同环境下的使用性能（见表1），其良好的抗热震性能证实Al2O3改性PS–PVD热障涂层具有优异的开发潜力。

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刘嘉航，等：热障涂层先进结构设计研究进展 ·91·
图6 氧化铝改性PS–PVD 7YSZ 热障涂层的制备[43]
Fig.6 Preparation of Al 2O 3-modified PS-PVD 7YSZ TBCs [43]: a) PS-PVD for preparation of TBCs; b) magnetron sputtering for Al films; c) vacuum furnace for heating treatment; d) cross-sectional microstructure of Al 2O 3-modified 7YSZ TBCs; e) magnified image of top coating in d; f) surface microstructure of Al 2O 3-modified TBCs; g) cross-sectional microstructure
in d without polishing; h) XRD patterns of as-sprayed and Al2O3-modified PS-PVD 7YSZ coatings;
i-j) cross section of g with FIB milling and TEM analysis; k) overlay HRTEM in j
表1 APS 7YSZ TBC、EB –PVD 7YSZ TBCs、传统PS –PVD 7YSZ TBCs 和Al 2O 3改性
PS –PVD 7YSZ TBCs 之间的性能比较[43]
Tab.1 Performance comparison among APS 7YSZ TBCs, EB-PVD 7YSZ TBCs, traditional
PS-PVD 7YSZ TBCs, and Al 2O 3-modified PS-PVD 7YSZ TBCs [43]
Properties
Air-cooling thermal cycle (1 050 ℃) Water-quenching thermal cycle (1 100 ℃) Thermal conductivity (1 100 ℃)/(W·m −1·K −1
)Bond strength Surface roughness Deposition rate/
(μm·min −1)
APS <3 000 >60 >1.0 <35 >10 10-20 EB-PVD >7 000 >80 >1.6 >50 <5 0.2-0.5
Traditional PS-PVD >8 000 >120 >1.1 >50 <5 1-5 Al 2O 3-modified PS-PVD
>16 000
>160
>1.1
>50
<5
1-5
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表 面 技 术 2023年4月
3 垂直裂纹结构
垂直裂纹热障涂层结构示意图如图7所示，位于
陶瓷层内部的垂直裂纹将涂层分成多个部分[44]。

垂直裂纹的存在增加了热障涂层系统的应变容限，并减小了因陶瓷层与黏结层之间的热膨胀系数差异而在涂层内部积累的残余应力，因此将垂直裂纹应用于厚热障涂层中可能会提高热障涂层的抗热震性能，延长其使用寿命。

Lee 等[45]使用有限元软件对带有垂直裂纹热障涂层在高温环境下的涂层内部应力进行了模拟，仿真结果表明，垂直裂纹可以有效降低涂层的内部应力，并且涂层内部应力会随着垂直裂纹密度的增加而减少。

Lu 等[46]采用特制的大气等离子喷涂设备制备了带有垂直裂纹的厚热障涂层（图8a ），并对比了它与层状结构厚热障涂层（图8b ）的高温使用性能，结果如表2所示。

涂层内部的裂纹提供了大量的应变空间，释放了厚热障涂层内部因温度梯度积累的热膨胀失配应力，大幅度提高了涂层的使用寿命和热力学性能。

虽然垂直裂纹可以优化热障涂层的使用性能，但采用APS 制备垂直裂纹的难度较大，需要依靠基体高温及提高逐层激冷带来的应力作用实现垂直裂纹的形成。

由于在喷涂过程中很难对熔融陶瓷粉末的冷
却速度进行精确把控，因此如何制备出具有额定裂纹数量和裂纹深度的热障涂层是其发展的一大难题。

为了简化垂直裂纹热障涂层的制备过程，研究人员将悬浮液等离子喷涂用于垂直裂纹的制备。

Xie 等[47]在环境气压为20 kPa 时进行悬浮液等离子喷涂，并对制备态涂层的横截面结构进行了检测，扫描电镜照片显示，制备态涂层具有分布均匀的垂直裂纹结构。

关于悬浮液等离子喷涂制备的垂直裂纹结构热障涂层的力学性能，Lyu 等[48]通过变分原理建立了垂直裂纹结构热障涂层的本构模型，并通过有限元方法分析了其高温力学性能。

结果表明，涂层中的垂直裂纹可以有效提高涂层的应变容限和抗烧结性能，微裂纹的收缩可以有效释放涂层内部积累的应力，在提高涂层寿命方面起着重要作用。

图7 垂直裂纹热障涂层结构示意图[44]
Fig.7 Schematic diagram of vertical crack structure
thermal barrier coatings
[44]
图8 制备态涂层横截面扫描电镜照片[46]
Fig.8 Cross-sectional microstructure of as-sprayed coatings: a) layered structured thick thermal
barrier coating; b) thick thermal barrier coating with vertical cracks [46]
表2 垂直裂纹7YSZ 热障涂层与传统7YSZ 热障涂层的性能对比[46]
Tab.2 Performance comparison between conventional 7YSZ TBC and 7YSZ TBC of vertical type cracks [46] Coatings Thermal exposure tests Thermal shock tests Adhesive strength values/MPa
Hardness values of as-sprayed TBCs/GPa Hardness values after thermal fatigue tests/GPa Hardness values
after thermal shock tests/GPa
Conventional 7YSZ TBC 25-30 5-10 11.0±1.2 5.3±0.6
5.5±0.2
5.5±0.5
Vertical type cracks 7YSZ TBC
>1 143
200-250
24.7±2.8
6.6±0.8 9.5±0.6 9.4±1.0。