新一代超高温热障涂层研究
高性能热障涂层的制备及应用研究
高性能热障涂层的制备及应用研究现代工业中，机械设备在工作中往往会因长时间的高温和高压等环境条件而出现失效，这给生产过程和产品安全带来了很大的风险。
然而，高性能热障涂层技术的出现为此提供了解决方案。
本文将介绍热障涂层的概念和种类，以及它们在现代机械加工和航空领域的应用。
一、热障涂层的概念和种类热障涂层是一种能够提高材料抗高温性能的技术，它可以降低材料表面的温度，从而减少或防止材料因高温所引起的蠕变、热裂纹和氧化等失效现象。
热障涂层通常分为两种类型：陶瓷涂层和金属涂层。
1. 陶瓷涂层陶瓷涂层通常由氧化铝、氧化锆、氧化钇和钛酸锆等材料制成，具有很高的热稳定性和化学稳定性，适用于各种复杂的高温环境。
它们的主要作用是减少材料表面的热流密度，降低材料表面温度，从而减少热应力和热氧化引起的热开裂和氧化等失效现象。
2. 金属涂层金属涂层通常由铝、铬、钼、镍、钛和钽等金属以及它们的合金制造。
金属涂层可以提高材料表面的氧化和腐蚀性能，并且降低材料表面与外界环境之间的摩擦系数，从而减少磨损和接触疲劳。
二、热障涂层在机械加工领域的应用在机械工业中，热障涂层技术被广泛应用于涡轮机、汽车发动机、钻头、车削刀具和切割刀具等高温零部件的制造。
热障涂层可以提高零部件的高温性能，延长其使用寿命和降低故障率，提高机械加工的生产效率和产品质量。
例如，在汽车制造业中，发动机缸体的材料是一种高硅铝合金，这种材料可以提高发动机的性能和效率，但是在长时间的使用中却会发生疲劳和开裂等问题。
因此，通过热障涂层技术可以在发动机的缸体表面形成一个陶瓷涂层，从而降低表面温度，提高缸体的耐高温性能，延长缸体的使用寿命。
三、热障涂层在航空领域的应用在航空航天领域，热障涂层技术的应用范围更加广泛。
热障涂层可以应用于发动机、涡轮叶片、燃烧室、液推火箭等关键部位，提高航空器的高温性能，保证其正常运作和安全飞行。
例如，在高超声速飞行器的研究中，热障涂层是必不可少的关键技术之一。
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
【相关文献】
1.高温热障涂层陶瓷层材料研究进展
2.AlCoCrFeNiYHf高熵合金的高温抗氧化性能研究:一种极具潜力的热障涂层黏结层材料
3.基于材料基因工程的超高温热障涂层研究
4.带热障涂层高温合金材料飞秒激光制孔工艺试验研究
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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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。
热障涂层的研究现状与发展方向
从正方相向单斜相转变 ,伴随 3 %～5 %的体积膨胀 ,导致涂层 破坏 ,为延长涂层的使用寿命 , ZrO2 中需加入稳定剂 。20 世纪 60 年代用 MgO 和 CaO 作为稳定剂 ,后来发现以这两种氧化物 作为稳定剂的涂层组织稳定性不好 ,燃气的硫化作用使 MgO 和 CaO 从涂层中析出 ,降低了对 ZrO2 相的稳定作用 ,使涂层的 热循 环 寿 命 降 低 , 目 前 这 两 种 稳 定 剂 已 基 本 被 Y2 O3 所 替 代[6 ,7] 。Stecura 等对不同 Y2 O3 含量稳定的 ZrO2 陶瓷涂层的 热物性能进行了分析 ,结果表明在 Y2 O3 含量为 6 %～8 %时[8] , 陶瓷涂层抗热循环性能最好 ,寿命最长 。
据报道 ,目前美国几乎所有的陆用和船用燃气轮机都采用 了 TBCs ,每年约有 300t 氧化锆材料用在 TBCs 上 ,在未来 10 年中 TBCs 将达到 12 %的年增长率 ,其中在发动机部件中的年 增长率将达到 25 %[2] ,具有广阔的应用开发前景 。近年来 ,随 着航空燃气涡轮机向高流量比 、高推重比 、高进口温度方向发 展 ,燃烧室中的燃气温度和压力也不断提高 。目前 ,燃气温度已 接近 2000 K ,因此航空发动机涡轮叶片的合金材料上需喷涂热 障涂层以承受 1600 ℃以上的涡轮进口温度[4] 。实际应用的热 障涂层大多采用由陶瓷隔热表层和金属粘结底层组成的双层结 构 ,6 %～8 %氧化钇稳定的氧化锆 ( YSZ) 是目前使用最广泛的 陶瓷隔热表层材料 ,金属粘结底层主要为 MCrAl Y 合金 ,其中 M 代表 Ni 、Co 或 NiCo [5] 。由于 YSZ 热障涂层的长期使用温度 为 1200 ℃,超过 1200 ℃,相变加剧 ,易烧结 ,氧传导率高 ,过渡金 属易被氧化 ,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 。
热障涂层的研究现状与进展
均 由结 合底 层材 料 和 陶 瓷 表层 材 料 组成 ， 且各 层 中
这 ２种 材料 的组 成 比呈 梯度 变 化 ， 种 梯 度 变化 的 这 涂 层 结构 可使金 属基 体 到陶瓷 工作 层 的热膨胀 系数 逐 渐 变化 。受热 时基 体 与工作 层 间的温 度梯度将 减 小 ， 而提 高 了涂层 的抗 热震性 能 。许 多研究 表 明 ： 从 采 用梯 度 Ｔ Ｂ 设计 ， 有效提 高涂 层 抗热 震性 能 ， Ｃ ｓ 能
件 可显 著提 高使 用温度 ， 延长使 用寿命 ， 高发 动 机 的效 率 。综述 了热 障涂层 的涂 层设 计 方 法 ， 别 比较 提 分 了等 离子 喷涂 、 激光 重熔 、 电子 束物 理 气相 沉 积 、 自蔓 延 高温 合 成 等 方法 制备 热 障涂 层 的特 点 ， 分析 了涂
ＴＢ ｓ的基 本 构 想 是 利 用 陶 瓷 材 料 具 有 高 熔 Ｃ 点 、 导热率 的特性 ， 此类 材料 以不 同的方 式涂 覆 低 将 于基体 金属 或其 它材 料 的 表 面 上 ， 可形 成 一 个 热 就
的屏 障层 。 目前 ， Ｃ ＴＢ ｓ根 据 不 同要 求 可设 计 成 双
维普资讯
热 障 涂层 的研 究现 状 与进展
刘 海 浪 ， 宝健 ， 永 丹 ， 丰 王 刘 闫
（ 西 理 工 大 学 材 料 与化 学工 程 学 院 ， 西 赣 州 ３ １ ０ ） 江 江 ４ ０ ０
摘 要 ： 热障涂层 一般 由金 属黏 结层 和具 有 低 热 导率 的 陶 瓷顶 层 组 成 ， 用 于 涡轮 发 动机 的热 端 部 应
隔热性好 的 陶瓷热保 护 功能层 组成 的“ 合 型” 属 层 金 陶瓷复合 涂层 系统＿ 。 主要 用来 降低 基体 的工 作 温 ２ ］ 度， 免受 高温 氧化 、 蚀 、 腐 磨损 。
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。
热障涂层无损检测技术研究进展
热障涂层无损检测技术研究进展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，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，这使得TBC 逐渐应用在核反应堆、航空发动机等许多领域。
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。
因此，发展TBC 试件缺陷的无损检测技术具有重大意义。
传统的无损检测方法主要有渗透检测、涡流检测、超声或超声显微检测、声发射技术等。
渗透检测技术通过将某些特制的液体渗透进被测构件来实现对构件表面裂纹的位置、大小和形状进行检测。
涡流检测技术以电磁感应为基础，利用不同材料在交变磁场作用下产生的不同振幅和相位实现检测。
超声检测和超声显微检测技术近年来发展较快，超声波经耦合剂传播到被检构件时，构件内部缺陷会阻碍超声波的传播，而无缺陷的位置超声波的传播不受影响，但是由于TBC 具有多空隙的结构特点，超声检测或超声显微检测不适合TBC 的无损检测。
声发射技术利用材料变形或产生裂纹时释放的应变能产生的应力波来检测出裂纹信息，是直接检测裂纹的主要方法之一，但由于该技术需在加载过程中进行，检测的是动态缺陷，而不是静态缺陷，因而属于被动检测方法。
渗透检测技术会使液体等进入试件内部，不能够形成非接触。
复阻抗谱通过电路模型测量电阻、电容等性质的变化来分析TBC 的厚度、微观结构、缺陷的生长特征。
但是，由于陶瓷层中的孔洞和裂纹及界面形状的不规则性对测试等效电路产生影响，带来了结果的不确定性。
传统无损检测技术的检测灵敏度低，准确度不高，检测速度慢且操作复杂，加之对检测试件的限制条件，不能够实现对TBC 试件的定量无损检测。
热障涂层高温抗氧化性能研究的现状及发展
粘结层分界面的应力。而且当址优先氧化完毕后，ＢＣ 层中的其他元素氧化形成大颗粒氧化物，出现了尖晶 石类的产物，如图５所示。加之ＴＧＯ膜加厚，产生较大 的应力。最终引起涂层失效，如图６所示。所以ＴＧＯ是 一把双刃剑，在ＴＢＣ服役初期起正作用，后期则是导致 涂层失效的根本原因¨９Ｊ。因此，抑制ＴＧＯ的生长是改 善ＴＢＣ疲劳性能、提高ＴＢＣ寿命的重要手段。
嚣匝
圈
图３ ＥＢ—ＰＶＤ沉积的热障涂层的破坏模式 ３ ＴＢＣ涂层系统失效机理研究
３．１ ＴＢＣ失效机理 虽然热障涂层的制备与研究已经有２０多年的历
史，然而无论是使用结果还是试验结果均表明，热障涂
万方数据
层过早剥落失效现象仍然存在。热障涂层剥落失效机 理主要有：①ＴＧＯ的形成是一个体积膨胀过程，因此形 成ＴＧＯ时会出现残余应力，冷却到环境温度时，应力会 进一步增大，导致涂层失效；②随着温度的改变，陶瓷 层会发生相变与烧结，增加涂层内的应力；③陶瓷烧结 过程会导致体积的显著变化和材料性能的改变，引起 平面压应力，产生垂直于分界面的裂纹；④陶瓷层自身 是多孔性介质。强度低，在温度和外载荷的交互作用 下，发生断裂、脱落；⑤基体与涂层的热膨胀行为不一 致，导致热梯度或温度梯度，进而产生内应力；⑥由于 涂层一基体两种物质的热膨胀系数不匹配及材料固有 性能上差别【ｌ ３．１４】，产生应力集中；⑦外力碰撞损伤，当 异物碰撞陶瓷层时，由于损伤可能导致ＴＢＣ剥落。然 而，近些年来，人们通过对长期高温氧化气氛中服役的 ＴＢＣ进行了分析。得出一个共同的观点¨卜１７１：ＴＧＯ是 热障涂层在长期高温氧化环境下引起涂层失效不可忽 视的关键因素，如图４所示。
ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ。Ａｎａｈｅｉｍ，ＣＡ，１９９３．３６９－３７４．
［３］ＣｈａＩｌｇ Ｋ Ｃ，Ｗｅｒ ｗ Ｊ，Ｃｈｅｎ Ｃ．Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ ｔｈｅｒｍａｌ
热障涂层的研究现状及其制备技术
4 热障涂层材料
图 3 电子束物理气相沉积设备及工作原理简图 Fig 3 Structure system and work ing pr incip le of EB- PVD
电子枪主要用于预热基底和蒸发物料。由于电 子束直接加热蒸发材料, 与蒸发材料接触的坩埚可 能受到高温的影响而与蒸发材料发生化学反应, 会 污染涂层, 因此采用循环水冷却铜坩埚, 同时在坩埚 下方安装了可以升降的进给 ( 料 ) 系统, 以使被蒸发
美国在80年代初率先取得突破随后德国俄罗斯和乌克兰也获得了成1920电子束物理气相沉积法的沉积原理电子束物理气相沉积的工作原理为首先用机械泵和扩散泵将设备的真空室抽取真空当真空室的真空度达到一定要求后电子枪开始发射电子束直接照射到水冷坩埚中被蒸发的物料上利用电子束的能量加热并气化材料材料蒸气以原子或分子的形式慢慢沉积到基体上形成涂层
为了改善等离子喷涂法制备热障涂层的不足, 自 20世纪 70年代起, 国内外开展了电子束物理气 相沉积 ( E lectron bean - physical vapo r deposition EB - PVD )设备和工艺的研究。美国在 80年代初率先 取得突破, 随后德国、俄罗斯和乌克 兰也获得了成 功 。 [ 19, 20 ] 3 1 电子束物理气相沉积法的沉积原理
电子束物理气相沉积的工作原理为, 首先用机 械泵和扩散泵将设备的真空室抽取真空, 当真空室 的真空度达到一定要求后, 电子枪开始发射电子束, 直接照射到水冷坩埚中被蒸发的物料上, 利用电子 束的能量加热并气化材料, 材料蒸气以原子或分子 的形式慢慢沉积到基 体上形成涂层。在制备过程 中, 为了提高涂层与基底的结合力, 通常在制备热障 涂层时对基底加热。图 3为电子束物理气相沉积工 艺设备主真空室的结构示意图。
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。
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。
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）是一种应用广泛的高温结构表面涂层，具有优异的隔热性能和耐热性能，被广泛应用于航空航天、汽车、能源等领域。
本文将就热障涂层的研究现状、材料组成、制备工艺以及在不同领域的应用进行探讨。
一、研究现状热障涂层的研究始于20世纪60年代，随着材料科学和表面工程技术的不断发展，热障涂层的性能得到了显著提升。
目前，研究重点主要集中在提高热障涂层的隔热性能、耐热性能和耐氧化性能，以满足高温工况下材料的需求。
同时，研究人员还致力于开发新型热障涂层材料，提高其使用寿命和稳定性。
二、材料组成热障涂层通常由多层结构组成，包括热障层、粘结层和底层基材。
其中，热障层是热障涂层的核心部分，主要由氧化铝、氧化锆等陶瓷材料构成，具有良好的隔热性能和耐热性能。
粘结层用于连接热障层和基材，通常采用镍基合金等材料。
底层基材则是被涂覆热障涂层的金属基材，如钛合金、镍基合金等。
三、制备工艺热障涂层的制备工艺主要包括热喷涂法、物理气相沉积法（PVD）和化学气相沉积法（CVD）等。
热喷涂法是目前应用最为广泛的制备工艺，通过喷涂设备将预先制备好的涂层材料喷涂在基材表面，形成热障涂层。
PVD和CVD则是通过物理或化学方法在基材表面沉积涂层材料，制备出高质量的热障涂层。
四、应用领域热障涂层在航空航天领域被广泛应用于航空发动机、涡轮叶片等高温零部件，能够有效提高零部件的耐热性能和使用寿命。
在汽车领域，热障涂层被应用于汽车发动机缸体、排气管等部件，提高了发动机的燃烧效率和排放性能。
此外，热障涂层还被应用于能源领域的燃气轮机、燃烧器等设备，提高了设备的工作效率和稳定性。
综上所述，热障涂层作为一种重要的高温结构表面涂层，在各个领域都发挥着重要作用。
随着材料科学和表面工程技术的不断进步，热障涂层的性能将得到进一步提升，为高温工况下材料的应用提供更加可靠的保障。
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。
高温热障涂层陶瓷层材料研究进展
高温热障涂层陶瓷层材料研究进展梁明德;于继平;张鑫;冀晓娟;沈婕;章德铭;任先京【期刊名称】《热喷涂技术》【年(卷),期】2013(005)002【摘要】热障涂层具有良好的隔热效果和抗高温氧化性能,应用于燃气轮机可以显著提高高温部件的使用温度和寿命.先进航空发动机的发展对热障涂层陶瓷面层材料的防护效果和使用寿命提出了更高的要求.本文综述了掺杂改性氧化锆、烧绿石结构稀土锆酸盐、六铝酸镧、石榴石结构化合物、钙钛矿几种不同新型高温热障涂层的陶瓷材料的研究进展,并在此基础上对热障涂层的发展方向进行了展望.【总页数】9页(P1-9)【作者】梁明德;于继平;张鑫;冀晓娟;沈婕;章德铭;任先京【作者单位】北京矿冶研究总院,北京100160;北京市工业部件表面强化与修复工程技术研究中心,北京102206;中航工业西安航空发动机(集团)有限公司研制中心,西安710021;北京矿冶研究总院,北京100160;北京市工业部件表面强化与修复工程技术研究中心,北京102206;北京矿冶研究总院,北京100160;北京市工业部件表面强化与修复工程技术研究中心,北京102206;北京矿冶研究总院,北京100160;北京市工业部件表面强化与修复工程技术研究中心,北京102206;北京矿冶研究总院,北京100160;北京市工业部件表面强化与修复工程技术研究中心,北京102206;北京矿冶研究总院,北京100160;北京市工业部件表面强化与修复工程技术研究中心,北京102206【正文语种】中文【中图分类】TG174.4【相关文献】1.热障涂层制备技术及陶瓷层材料的研究进展 [J], 魏绍斌;陆峰;何利民;许振华2.基于材料基因工程的超高温热障涂层研究 [J], 梁迎雪;冯晶;余威;周云轩;干梦迪;魏燕;张健康;陈永泰;叶波;种晓宇3.带热障涂层高温合金材料飞秒激光制孔工艺试验研究 [J], 温嵘;朱文宇;麻丁龙;马国庆4.氧化锆基双陶瓷层热障涂层表层材料研究进展 [J], 吴硕;赵远涛;李文戈;赵忠贤;刘未来;吴艳鹏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 [J], 于海鹏;冯燕;张红松因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
前沿新型高温／超高温热障涂层及制备技术研究进展
所示 。Ｄｙ掺杂涂层有效消除了氧化
Ｌｉ等进一步研 究 了不 同
量 活 性 元 素 改 性 ＮｉＡｌ在１２００℃的循环
，发现Ｌａ反而加速了氧化膜的生长和剥落，如
Ｚｈａｎｇ等采用第一原理计算方法系统研
Ａｌ２Ｏ３／ＮｉＡｌ界面的物理和化学
从而弱化了界面结合，不同活性元素均与Ｓ有亲和作用，
，其热导率明显降低，如图 所示，其热膨胀系数为（８.
.８６） ×１０－６／Ｋ，在１００～１６０
℃ 之间保持相稳定。针对 ＧＹｂＺ 材料弹性模量较大
ＧＹｂＺ／ ＹＳＺ双陶瓷层热障涂层，采
ＧＹ
、连续加热５ ｍｉｎ 的高温燃气热冲击条件下，Ｇ
热 障 涂 层 寿 命 超 过 ３７００次。
外，Ｇｄ２Ｚ２Ｏ７热障涂层具有良好的抗热腐蚀能力，
在 Ｊ－７５ 型 发 动 机 叶 片 上 使 用 ＺｒＯ
－Ｙ ２ Ｏ ３ ／ ＮｉＣｒＡｌＹ热障涂层进行隔热
近年来，欧美等国家相继制定和实施了“ＩＨＰＴＥ
”、“ ＶＡＡＴＥ ”、“ ＵＥＥＴ ”、 ＡＣＭＥ－ＩＩ 、
新型低热导、耐烧结以及高温稳定的陶瓷材料的研制是
ＹＳＺ 材料中掺杂除 Ｙ２ Ｏ ３ 外的其他稀
１１ 所示 。初步研究
－ ＰＶＤ 热障涂层在高温燃气热冲击条
ＥＢ － ＰＶＤ热障涂层相当，比 Ｐ
涂层提高 ３ 倍以上，而热传导率与ＰＳ热障涂层接近，
ＥＢ － ＰＶＤ 涂层降低了３０％以上。同时， ＰＳ
ＰＶＤ 形成柱状晶结构涂层时的沉积效率是 ＥＢ －
的５ 倍左右。 ＰＳ －ＰＶＤ 技术代表了未来高
北京航空航天大学在热障涂层方面的研究进展
自１９９４ 年以来，北京航空航天大学开展了热障涂
热障涂层
涂层制备工艺
涂层制备工艺主要有等离子喷涂技术、 涂层制备工艺主要有等离子喷涂技术、液相 等离子喷、电子束物理气相沉积、 等离子喷、电子束物理气相沉积、激光重熔 或溶敷、自蔓延高温合成法(SHS) 、电泳 或溶敷、自蔓延高温合成法(SHS) 沉积等方法。 沉积等方法。 目前最常用的是等离子喷涂， 目前最常用的是等离子喷涂，电子束物理气 相沉积。 相沉积。
热障涂层陶瓷层材料
合适的热障涂层表面层材料应满足如下基本 要求: 要求: (1)高熔点; (2)在室温与工作温度之间无相 (1)高熔点; (2)在室温与工作温度之间无相 高熔点 (3)热导率低 (4)良好的化学稳定性 热导率低; 良好的化学稳定性； 变; (3)热导率低; (4)良好的化学稳定性； (5)热膨胀系数与金属基体匹配 (6)与金属 热膨胀系数与金属基体匹配; (5)热膨胀系数与金属基体匹配; (6)与金属 基体结合力高; (7)较低的烧结速率 较低的烧结速率. 基体结合力高; (7)较低的烧结速率. 其中,最重要的是热导率、 其中,最重要的是热导率、热膨胀系数和高 温相稳定性能
研究内容
• 目前广泛应用的8YSZ的长期使用温度为1200℃，超 目前广泛应用的8YSZ的长期使用温度为1200℃， 8YSZ的长期使用温度为1200℃ 1200℃，相变加剧，易烧结，氧传导率高， 过1200℃，相变加剧，易烧结，氧传导率高，过渡 金属易被氧化，导致涂层失效， 金属易被氧化，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。 口温度进一步提高的需要。 • 稀土锆酸盐相对于YSZ更低的热导率、更高的高温稳 稀土锆酸盐相对于YSZ更低的热导率、 YSZ更低的热导率 定性等优点而成为研究的热点。 定性等优点而成为研究的热点。 • 本课题采用稀土锆酸盐共沉淀法制备实验所需的稀 土锆酸盐粉末。 土锆酸盐粉末。
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万方数据新一代超高温热障涂层研究作者：郑蕾， 郭洪波， 郭磊， 彭徽， 宫声凯， 徐惠彬， ZHENG Lei， GUO Hong-bo， GUO Lei， PENG Hui， GONG Sheng-kai， XU Hui-bin作者单位：北京航空航天大学材料科学与工程学院,北京,100191刊名：航空材料学报英文刊名：Journal of Aeronautical Materials年，卷(期)：2012,32(6)被引用次数：2次1.GOWARD G W Progress in coatings for gas turbine airfoils 1998(1/2/3)2.CAO X Q;VASSEN R;STOEVER D Ceramic materials for thermal barrier coatings[外文期刊] 2004(01)3.郭洪波;宫声凯;徐惠彬先进航空发动机热障涂层技术研究进展[期刊论文]-中国材料进展 2009(9/10)4.RABIEI A;EVANS A G Failure mechanisms associated with the thermally grown oxide in plasma-sprayed thermal barrier coatings[外文期刊] 2000(15)5.PADTURE N P;GELL M;JORDAN E H Materials science-thermal barrier coatings for gas-turbine engine applications[外文期刊] 2002(5566)6.ZHOU Z H;GUO H B;WANG J Microstructure of oxides in thermal barrier coatings grown under dry/humid atmosphere 2011(08)7.DAS D K;MURPHY K S;MA S W Formation of secondary reaction zones in diffusion aluminide-coated Ni-base single-crystal superalloys containing ruthenium[外文期刊] 2008(07)8.PENG H;GUO 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