热障涂层材料研究进展_周洪
热障涂层的研究进展及其在燃气轮机的应用
１６ ９３年普 惠公 司第 一 次把 Ｔ Ｃ用 在 ＪＳ Ｂ Ｔ Ｄ型燃 气 轮机 的火焰 筒 中 ， 如今 Ｇ Ｅ公 司和 普 惠 公 司 已广
泛将 Ｔ Ｃ用 于 许 多 燃 气 轮 机 的 高 温 部 件 ， 火 焰 Ｂ 如
筒、 叶片、 过渡 段等 。 燃气 轮机 的高 温部件 是决 定燃气 轮机 寿命 的关
使 用 温 度 ， 长 部 件 寿命 ， 省燃 料 ， 高 发 动 机 效 率 。本 文对 正 在 发 展 中 的燃 气 轮 机 高 温 部 件 的热 障 涂 层 材 延 节 提 料 、 备 工 艺 和结 构进 行 了综 述 ， 制 分析 了 热 障涂 层 的失 效 机 理 ， 望 了 热 障 涂 层 的 发 展 趋 势 。 展
２ 热 障涂 层 材 料
目前 使用 的 热障 涂层 一般是 由顶 部 陶瓷层 （ ｏ Ｔｐ Ｃ ａ ｎ ） 底 部 的 金 属 粘 结 层 （ ｏｄ Ｃ ａ ｎ ） 成 。 ｏｔ ｇ和 ｉ Ｂｎ ｏｔ ｇ 组 ｉ
键 部件 ， 它们不 仅工 作温度 高 ， 而且还 承受燃 气 轮机 在起 动和停 机时 因温 度 剧烈 变 化 引起 的热 冲击 ， 工
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第 ２ 卷 第 ２ ｌ 期 ２０ ０ ８年 ６月
《 燃
气
轮
机
技
术》
热障涂层的研究进展
热障涂层的研究进展随着现代工业的发展，高温材料的应用越来越广泛，如航空发动机、燃气涡轮等。
然而，高温环境下的材料容易发生氧化、腐蚀等问题，降低了材料的使用寿命和可靠性。
为了解决这一问题，人们引入了热障涂层技术，使其在高温工作环境中具有更优异的性能。
热障涂层是一种在金属表面涂覆陶瓷材料的技术，通过降低热通量的方式实现保护材料的目的。
它的特性包括良好的隔热性、抗氧化性、抗腐蚀性、抗磨损性等，使其广泛应用于航空航天、石油、化工、冶金等行业。
近年来，研究人员对热障涂层的性能进行了深入的研究和探讨，取得了不俗的成果。
热障涂层材料的研究热障涂层材料的性能主要取决于表面涂层的结构和材料的选择。
目前，常见的热障涂层材料包括氧化铝、氧化锆、氧化镁、二氧化硅等，其中以氧化铝涂层应用最为广泛。
研究人员通过对涂层材料的组织结构、化学成分等方面的研究，不断优化和提升热障涂层的性能。
例如，一些研究人员通过改变涂层中氧化铝和氧化锆的组成比例，制备了一种新型热障涂层材料。
实验结果表明，该涂层具有更好的耐热性能和耐磨性能，可以有效地提升高温材料的使用寿命。
另外，一些研究人员通过改变热障涂层中陶瓷颗粒的尺寸、形状等参数，探讨了不同参数对涂层性能的影响。
研究结果发现，涂层颗粒尺寸越大，涂层的热阻值越大；而颗粒形状则会对涂层磨损、断裂等性能产生影响。
热障涂层加工技术的研究由于热障涂层是一种高技术含量的涂层技术，其加工过程也十分关键。
研究人员对热障涂层加工技术进行了系统研究，探讨不同加工方法对涂层性能的影响，并提出了相应的改进方案。
例如，一些研究人员对热障涂层的喷涂工艺进行了优化，采用了高速火焰喷涂技术，实现了高效、节能的喷涂过程，同时提高了涂层质量和性能。
另外，研究人员还在热障涂层加工过程中引入了纳米材料，提高了涂层的性能和稳定性。
纳米材料具有较高的比表面积和活性，可以增加涂层的强度、硬度和耐磨性。
热障涂层应用领域的研究热障涂层技术的应用领域越来越广泛，涉及到航空、航天、汽车、船舶、石油、化工、冶金等多个领域。
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 。
热障涂层材料的制备与性能研究
热障涂层材料的制备与性能研究随着现代工业的不断发展，高温工况下材料的热稳定性成为了一个重要的研究方向。
热障涂层材料由于其良好的绝缘性和高温稳定性，成为了一种非常有前景的防护材料。
本文将就热障涂层材料的制备方法和性能研究展开讨论。
一、热障涂层材料的制备热障涂层材料的制备方法多种多样，常见的有物理气相沉积法和化学气相沉积法。
1. 物理气相沉积法物理气相沉积法是一种通过高温下蒸发材料并将其沉积到基材表面的方法。
它可以得到具有较高结晶度和粒界结构的热障涂层材料。
在这种方法中，常用的气相源材料有氧化铝和氧化锆等。
通过将气相源材料加热蒸发，并通过气流将其输送至基材表面，可以实现热障涂层材料的沉积。
2. 化学气相沉积法化学气相沉积法是一种将气体中的化学原料转化为沉积物的方法。
该方法可以控制沉积层的成分和结构，从而实现所需的性能。
在这种方法中，常用的气相源材料有氯化铝和氧化铝等。
通过将气体中的化学原料引入反应室，使其在高温下发生化学反应，并在基材表面形成所需的热障涂层材料。
二、热障涂层材料的性能研究热障涂层材料的性能研究主要包括热稳定性、热导率和界面附着力等方面。
1. 热稳定性热稳定性是评价热障涂层材料性能的重要指标。
在高温工况下，热障涂层材料需要能够有效阻挡热量传递，并保护基材不受热应力的影响。
研究人员通过热循环试验和热冲击试验等方法来评估热障涂层材料的热稳定性能。
2. 热导率热导率是指材料传导热量的能力，对于热障涂层材料来说，较低的热导率可以降低热量传递，提高防护效果。
研究人员通过热导率测试仪来测定热障涂层材料的热导率，以评估其防护性能。
3. 界面附着力界面附着力是指热障涂层材料与基材之间的结合强度。
良好的界面附着力可以确保涂层在高温工况下不易剥落。
研究人员通过剪切试验和界面剥离试验等方法来评估热障涂层材料的界面附着力。
结语热障涂层材料的制备和性能研究对于提高材料的热稳定性具有重要意义。
通过物理气相沉积法和化学气相沉积法可以制备具有不同性能的热障涂层材料。
我“热障涂层的设计和失效机理研究”获重要进展
我“热障涂层的设计和失效机理研究”获重要进展
[导读] 日前，中科院长春应化所在热障涂层的设计思路、失效机理以及新型热障涂层材料研发等方面取得重要进展，设计并成功制备出使用温度≥1250℃的双陶瓷层热障涂层材料，热障涂层的设计和失效机理研究”成果荣获2013年吉林省自然科学奖一等奖。
日前，中科院长春应化所在热障涂层的设计思路、失效机理以及新型热障涂层材料研发等方面取得重要进展，设计并成功制备出使用温度≥1250℃的双陶瓷层热障涂层材料，“热障涂层的设计和失效机理研究”成果荣获2013年吉林省自然科学奖一等奖。
热障涂层技术利用陶瓷材料的高隔热性和耐腐蚀性来保护金属基底，在能源、航空、航天等方面都有重大应用价值。
各国都在努力研究能替代8YSZ、在更高温度下使用的热障涂层材料。
长春应化所科研人员立足于稀土科技的国际前沿，在国家杰出青年科学基金和科技部863计划等项目的支持下，开展了热障涂层的设计和失效机理研究，取得了一系列创新性科研成果。
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，设计了使用温度≥1250℃
的双陶瓷层、多陶瓷层和界面梯度热障涂层材料，极大地提高了涂层的使用温度和寿命，突破了8YSZ的使用温度极限，为研制在更高温度下使用的涂层开辟了一条新途径。
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。
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。
长寿命热障涂层技术研究进展
第4卷第3期2012年9月热喷涂技术Thermal Spray TechnologyVol.4，No.3Sep.，2012长寿命热障涂层技术研究进展王世兴，刘新基，汪瑞军（北京金轮坤天特种机械有限公司，北京100083）摘要：随着高性能航空发动机对长寿命热障涂层需求的增加，提高热障涂层寿命已成为研究重点。
本文从粘结层成分及结构设计和陶瓷层制备技术方面介绍了长寿命热障涂层研究进展，最后展望了未来低成本、长寿命热障涂层制备技术的研究方向及研究重点。
关键词：热障涂层；APS ；EB-PVD ；垂直裂纹；类柱状晶中图分类号：TG 174.4文献标识码：A 文章编号：1674-7127（2012）03-0001-08D OI 10.3969/j .issn .1674-7127.2012.03.001Progress in Long Life Thermal Barrier Coatings TechnologiesWANG Shi-xing,LIU Xin-ji,WANG Rui-jun(Beijing Golden Wheel Special Machine Co.,Ltd ，Beijing 100083，China)Abstract:With high performance gas turbine engine increased demand for long life thermal barrier coatings,the research interest was focused on improvement thermal barrier coatings life.In this paper,the development and research statues of bond coat composition ，structure design and top coat deposition technology for long life thermal barrier coatings was introduced.The research direction and focus of long life thermal barrier coatings deposited by low cost technologies was also anticipated.Keywords:Thermal barrier coatings ；APS ；EB-PVD ；Vertical cracks ；Columnar-like作者简介：王世兴(1982-)，男，甘肃人，工程师，硕士.E-mai l :wsx 161@163.c o m由于热障涂层（T B Cs ）在延长发动机热端部件寿命、提高发动机性能和效率方面的显著作用，使T B Cs 已先后成功应用于J -75、JT8D 、JT 9D 、P W 2000、P W 4000和V2500等高性能航空发动机热端部件[1-3]。
热障涂层的研究进展 修改前
重点阐述热障涂层成分的选择、热障涂层的结构设计、热障涂层的制备工艺、热障涂层的失效机理、寿命预测以及热障涂层的发展趋势。
研究背景随着科学技术的发展，在航天、航空、燃气发电、化工、冶金等众多领域，热障涂层将会得到更广泛的研究与应用。
推重比10一级发动机叶片表面的工作温度达到1 170 ℃以上, 目前最先进镍基高温合金单晶的使用温度不超过1 150 ℃, 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, 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。
所谓热障涂层是指由金属粘结层和陶瓷表面涂层组成的涂层系统。
陶瓷层是借助于中间抗高温氧化作用的合金粘结层而与基体连结的。
这一中间过渡层减少了界面应力，避免陶瓷层的过早剥落热障涂层系统对高温部件起到的主要保护功能有：陶瓷涂层能够起到良好的隔热降温效果，同时能够有效保护金属材料免受高温气流的冲蚀和腐蚀；粘结层能够起到良好的抗氧化作用，其材料成分主要是 MCrAlY，高温下与氧气发生反应后生成致密的氧化物(氧化铝）阻止了高温热气流对粘结层下的耐高温金属材料的进一步氧化热障涂层( TBCs) ,可使高温燃气和工作基体金属部件之间产生很大的温降(可达170 ℃或更高) ,达到延长热机零件寿命、提高热机热效率的目粘结层金属结合层主要用于增强陶瓷涂层与基体的结合力、提高热膨胀系数匹配,也为了提高基体的抗氧化性。
目前,常用作结合层的合金为MCrAlY,其。
M 代表Fe、Co、Ni 或二者的结合，但由于CoO、Fe2O3 等在高温下易与ZrO2 的单斜相或立方相发生化学反应, 因此, CoCrAlY 和FeCrAlY 不宜做热障涂层的粘结底层。
发动机的高温工作环境对热端部件主要有3 种腐蚀(氧化)形式: 高温氧化、高温热腐蚀、低温热腐蚀，温度高于1 000 ℃时以高温氧化为主要腐蚀形式。
由于NiCoCrAlY 粘结层的抗氧化、抗热腐蚀综合性能较好，因此,飞机发动机叶片用热障涂层大多采用这种合金体系。
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。
热障涂层材料研究进展_周洪
*2005民口配套项目 周洪:男,1972年生,博士生,讲师,主要从事材料表面技术的研究工作 E -mail :zhouhong @热障涂层材料研究进展*周 洪,李 飞,何 博,王 俊,孙宝德(上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室,上海200030) 摘要 简要概述了热障涂层材料的基本要求,介绍了国内外热障涂层材料近年来的研究状况和发展趋势。
目前广泛使用的是Y 2O 3稳定Z rO 2热障陶瓷材料及其粘结层材料,而稀土锆酸盐和稀土氧化物是非常有前景的隔热材料。
关键词 热障涂层 M C rAlY 二氧化锆 Research Progresses in Materials for Thermal Barrier CoatingsZHO U Hong ,LI Fei ,HE Bo ,WANG Jun ,SUN Baode(T he Sta te K ey Labor atory of M e ta l M at rix Co mpo sitio ns ,Shanghai Jiao tong U niver sity ,Shanghai 200030)A bstract T he rmal bar rie r coating s (T BCs )o ffer the po tential to significantly improve efficiencies of aero en -g ines a s w ell as g as turbine engines fo r po wer generatio n.State -of -the -ar t T BCs ,ty pica lly consisting of an y ttria -stabi -lized zir co nia top coat and a metallic bo nd co at ,hav e bee n widely used to prolong lifetime now adays.In the pape r ,re -sear ch status a nd prog resses o f materials for the rmal bar rie r coating s a re briefly rev iew ed.Except y ttria stabilized zir -co nia ,o ther materials such a s lanthanum zirconate and rar e ear th o xides a re also promising materials for thermal bar rie r co ating s.Key words ther mal bar rier co atings ,M CrA lY ,zir co nia 0 引言热障涂层(T hermal bar rier coating s ,简称T BCs )通常是指沉积在金属表面、具有良好隔热效果的陶瓷涂层,主要用来降低基体的工作温度,免受高温氧化、腐蚀、磨损。
新型热障涂层材料的设计制备及其应用研究
新型热障涂层材料的设计制备及其应用研究随着航空航天事业的不断发展，材料科学技术也在不断创新与进步，新型热障涂层更是一种重要的航空航天领域的材料。
新型热障涂层不仅具有防火、防腐、防腐蚀等诸多特性，还能极大程度提升发动机的使用寿命，因此研究新型热障涂层材料的制备与应用具有重要意义。
首先，新型热障涂层的设计制备需要考虑材料的耐热性、耐氧化性、抗高温气腐蚀性等因素。
目前，常用的涂层材料包括氧化铝、尖晶石、钨酸盐、碳化硅等多种化合物。
其中，氧化铝是最常用的一种涂层材料，其主要优点是其优良的热稳定性和氧化稳定性，可以抵御高温气流和化学腐蚀。
而尖晶石可以带来更好的隔热性能，钨酸盐的有毒性和制备成本则成为制约因素，碳化硅特别适用于应对极端高温环境。
因此，不同的应用场景需要选择不同的涂层材料。
其次，在热障涂层材料制备过程中还需要考虑涂层的厚度和制备工艺。
涂层的厚度是非常重要的因素，过薄则难以达到抵御高温气流的要求，过厚则容易发生裂纹等损伤，影响使用寿命。
因此，需要通过精确的控制涂层厚度来选择最适合的厚度参数。
同时，制备工艺也是关键因素之一，需要选择适合不同材料的制备方法，并严格控制反应条件，确保涂层质量。
最后，热障涂层材料的应用研究是非常复杂的领域，需要综合考虑不同的应用环境、不同材料的特性以及使用寿命等因素。
在航空发动机领域，热障涂层的应用可以大大降低发动机温度，提高燃烧效率、减少氧化损伤等，同时也可以延长发动机使用寿命。
在航天器及卫星领域，热障涂层可以有效延长机体的使用寿命，提高耐用性和耐腐蚀性能。
总之，新型热障涂层材料的设计制备及其应用研究是一个非常重要的领域，其研究结果具有重大的经济和社会意义。
我们应该继续深入研究涂层材料的特性和制备工艺，不断改善和优化材料性能，以满足不同应用场景的需求。
现在的一些涂层材料研究存在一些问题，如热稳定性和化学稳定性方面仍需提高，制备成本也需降低等。
未来，随着材料科学技术的不断进步，新型热障涂层材料的性能一定会越来越优化，应用范围也会越来越广泛，这为航空航天事业的发展提供了有力的支持。
热障涂层研究进展
科技 的发展 对热 端部件 的工作 温度提 出了越来 越 高的要 求 ， 如 航 空 用 发动 机 为 了 提高 推 重 比和热 效 例 率 ． 低能耗 。 降 燃烧 室 的燃 气温 度 已超过 １ ５ ． ０ｃ 并且有 继 续 升高 的趋 势 ， ６ Ｃ 如此 高 的温度 已经超 过 了多 数合
■ 陶瓷层
■ 梯 度层
封 阻 层
■ 粘接层
部 的腐 蚀 性 介 质 侵蚀 粘 结 层 ． 降低 氧通 过 陶 瓷
层 向粘 结层 扩散 的速度 ． ｃ ｍｉ — ｈ ｍａ Ｓ ｈ ｔ Ｔ ０ ｓ等Ｈ ｔ 在 ＭＣ Ａ１ 上喷 涂 ２～５ ｍ 的 Ａ ， 阻 层 ， ｒ Ｙ １ 封 Ｏ 降 低 了粘 接 层 的 氧化 速 度 ， 且 提 高 了陶 瓷层 并 与 中间 层 的结 合 力．但 多层结 构 对抗 热 震性 能
文 章编 号 ： ０ ９ ３ ２ ０ ０３ ０ ０ — ５ １ ０ —１ ０（ ０ ６） — ０ ９ ０ １
热 障涂层研究进展
刘 志 ．周 洪
（ ．２ ；２ 上 海 交 通 大 学 材 料科 学 与 工 程 学 院 ，上 海 １０ ２ ． ２０３） ０ ０ ０
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第 ２ ０卷 第 ３期
２ ０ 年 ９ 月 ０６
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Ｖ １２ Ｎ ． ｏ ．０ ｏ ３ Ｓ ｐ ．２ ０ ｅｔ ０６
Ｊ ＵＲＮ Ｆ ＨＯＨＡＩ ＵＮＩ ＲＳ Ｔ Ｃ Ｏ ＡＬ Ｏ ＶＥ Ｉ Ｙ ＨＡＮ ＧＺＨＯＵ
陶瓷 层 之 间有 明显 的界 面 ． 膨胀 系 数在 界 面 热
热障涂层的研究进展
低压等离子喷涂（ Ｌ Ｐ Ｐ Ｓ — Ｔ Ｅ ） 等一些新技术 。
１ ． ３ 热障涂层的失效模式
早期 失效模式有 ：①涂层粘接强度低 ；②工作过
程 中振动应力大 ；③制备操作及装配过程损伤 。随使
用时 间和循环数的退化模式有 ：①粘接 层的氧化 ；②
由于 Ｙ Ｓ Ｚ 低 的热 导率 和相 对较 高 的线胀 系数 ，使 其
目前新 型 陶瓷热障 涂层 材料 的研 究有 两个 主要 热 点方 向。第 一 个方 向是 德 国Ｊ ｕ ｌ ｉ ｃ ｈ 研 究 中心首 先
提 出的稀 土锆酸盐 类材料 Ａ Ｂ ： ０ （ Ａ ＝ Ｌ ａ 、Ｎ ｄ 、Ｓ ｍ、
・ ： 囊层培栩 ｂ ： 拳 眉螭杓 ｃ ： 搏庭耋 骞 构
成的 ，通 常为一致密 的Ａ１ 。 ０， 薄膜 ，在随后的工作过 程 中能够 阻止 外部氧 气 向Ｂ Ｃ层内部和基体 的扩散 ， 起到 保护 基体 （ 零 件） 的作 用 ；④ 陶瓷面 层（ Ｔ Ｃ：Ｔ ｏ ｐ
Ｃ ｏ ａ ｔ ） ，一般为６ ｗ ｔ ％－ －８ ｗ ｔ ％Ｙ２ Ｏ ３ －Ｚ ｒ Ｏ ２ （ Ｙ Ｓ Ｚ ） ，正是
Ｇｄ 、Ｄｙ 、Ｅ ｒ 、Ｙ ｂ 等 稀土 元 素 ，Ｂ ＝ Ｃｅ 、Ｚ ｒ 等） 。 另 外 一个 方 向是 通过 在现 有ＹＳ Ｚ 热障涂 层材 料 中掺杂
图１ 热障涂层结构示意图
作 者 简介 ：张文毓（ １ ９ ８ ２ 一） ，女 ，高级工程师 ，现主要从 事情报研 究工作 。
全面腐蚀控制 第２ ９ 卷第 １ Ｏ 期２ ０ １ ５ 年１ ０ 月
（ ３ ） 激光重熔或溶敷热障涂层 ； （ ４ ） 自蔓延高温合成法（ Ｓ Ｈ Ｓ ） ￣ Ｉ Ｊ 备热障涂层 ； （ ５ ） 基于热喷涂技术制备 的热障涂 层 ；
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。
等离子喷涂热障涂层的隔热性分析
近纳米涂层的隔热 效果 。隔热效果与涂层厚度呈线性关系 。随着 厚度增加 ，导热系数低 的纳米涂层和空 ， ｔ球涂层 ｌ
ｒｖ ａ ａ ｅｎ ｎ ｓｒｃｕ ｅ ＢＣ ｔ ｈ ｍａｌｓ ｃｏ ｏ ｅ ａ ｈ ｏ ｓ ｏ ｏｉ ， ｅｅ ｓｔｅＨＳ ｏ ｔ ｇ ｈ ｗ ｅ ｅ ｌｈ ｔｈ ａ ｏ ｔｕ ｔｒｄＴ ｔ ｔ ｗｉ ｔｅｓ ｌ ｔ ｈ ｅ ｍｉｒｐ ｒｓｈ ｓｔｅｌｗｅｔ ｒ ｓｔ ｗｈ ｒａ Ｐｃ ａｉ ｓｓ ｏ ｐ ｙ ｈ ｎ ａｒｌｔｖ ｌ ｏ ｓｒｍｉｒ ｓ ｕ ｔｒ ｔ ｈ ａｇ ｓ ｐ ｒ ｓ ｎ ｈｎ ｅｔｓ ｌｔ． ｔ ｈ ｏ ｖ ｎｉｎ ｌｃ ａｉｇ ｎ ｈ ｅａｉｅｙ ｌｏ ｅ ｃｏ ｔ ｃｕ ｅｗｉ ｔ ｅｌｒ ｅｔ ｏｏ ｉ ａ ｄ ｔｉｎ ｓ ｐａｓ Ｂｏｈ ｔｅｃ ｎ ｅ ｔ ａ ｏ ｔ ｓａ ｄ ｔｅ ｒ ｈ ｙ ｔ ｏ ｎ ｎ ｎ —ｏ ｔ ｇ ｒｓ ｎ ｐｃ ｌ ｉ ｄ ｌ ｏ ｅｓｚ ｉｒｂ ｔｏ ． ｎｇ ｎ ｒｌ ｔｅｔｅ ａ ｏ ｄ ｃｉｉｅ ｆａｌ ｈ ｏ ｔ ｇ ａ ｏｃ ａｉ ｓｐｅ ｅ ｔａｔ ｉａ ｍｏ ａ ｒ ｉｅｄｓ ｉｕｉｎ Ｉ ｅ ｅａ， ｈ ｈ ｒ ｌｃ ｎ ｕ ｔ ｔ ｓｏ ｌｔｅ ｃ ａｉ ｓ ｎ ｙ ｂ ｐ ｔ ｍ ｖｉ ｎ ｉｃｅｓ ｌ ｈ ｌ ｔ ｎ ｒａ ｉｇｔｍｐ ｒｔｒｓ Ｔｈ ｏ ｖ ｎｉｎ ｌ ｏ ｔ ｇｈ ｓｔ ｅｈｇ ｅ ｔｈ ｒ ａ ｏ ｄ ｃｉｉ ｍｏ ｇａｌ ｎ ｒａ ｅｓｉ ｔ ｗｉ ｉｃｅ ｓｎ ｅ ｅａ ｅ ． ｅｃ ｎ ｅ ｔ ａ ａｉ ａ ｈ ｉｈ ｓ ｅ ｇ ｙ ｈ ｕ ｏ ｃ ｎ ｔ ｍ ｌ ｎ ｕ ｔ ｔ ａ ｎ ｌ ｃ ｖｙ ｔｅｃ ａｉｇ ．Ｔ ｅ ｔｅ ａ ｃ ｎ ｕ ｔ ｉ ｆｔｅＨＳ ｏ ｔ ｇ ｓｓ ｉ ｒｔ ｈ ｔｏ ｈ ａ ｏ ｃ ａｉｇ ．Ｔ ｅｎ ｎ —ｏ ｔ ｇ ｈ ｏ ｔ ｓ ｈ ｈ ｒ ｌ ｏ ｄ ｃｉ ｔ ｏ Ｐ ｃ ａｉ ｓｉ ｉ ｌ ｏ ｔａ ｆｔｅｎ ｎ －ｏ ｔ ｓ ｈ ａ ｏ ｃ ａｉ ｓ ｎ ｍ ｖｙ ｈ ｎ ｍ ａ ｎ ｎ
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
热障涂层材料制备及失效机理的研究进展
０ 引 言
热 障涂层 （Ｔｈｅｒｍａｌ Ｂａｒｒｉｅｒ Ｃｏａｔｉｎｇｓ，简 称 ＴＢＣｓ）是为 了进 一 步提 高耐热 合 金材料 （铁基 合 金 、镍基 合金 、钻基 合 金）的使 用温 度而 发展起 来 的涂层技术 ，该涂层具有热传导 系数低 、密度 小 、耐腐蚀 、抗氧化 、强度高等优点ｕ ，被应用于 航空航天 、燃 气发 电等众多领域 。 目前而 言 ，超 强耐热合金材料 的最高工作温度不超过１２００ ｏｆ， 而一些在极端 条件下工作部件 的工作温度远远 超 过 这 个 温 度 ， 。如 燃 气 发 动 机 的 燃 烧 室 和 涡 轮 机 叶片 ，其工作温度可达１６００—２０００ ｏＣ。因此 ，在材 料本 身强度满足条件 的情况下 ，利用热传 导率低 的热 障涂层做为表面层 ，对基体材料 具有隔热保 护 的作 用。２０世纪６０年代 ，热 障涂层在火箭喷嘴 和燃气 轮机上的成功应用 ，把 人们对 热障涂层 的 研究逐渐推向一个高峰 。ＴＢＣｓ不仅可以降低金属
在高温工作下 的温度 ，而且可以对工件起到氧化与 腐蚀保护作用。热障涂层的工作环境较为复杂 ，在 工作过程 中既要受到热冲击载荷 ，又会受到机械载 荷 ，其工作以及非工作状态会使得涂层多次经受冷 热循环 ，涂层容易产生裂纹。在裂纹扩展及机械载 荷的作用下涂层容易剥落 、失效 ，使用寿命降低 。 时效 处理 及 纳米 技术 的发 展赋 予 了涂层 良好 的机械 性能和热力学性能 ，尤其是纳米涂层技术 ，它不仅 提高了硬度和摩擦磨损性能 ，还显著改善了涂层的 韧性 、抗裂纹扩展能力及热稳定性等 ，满足了各种 特殊应用需求 ，因此 引起了人们的极大关注［３－５］。 为满足工作条件对材料的苛刻要求 ，研究开发具有 耐高温氧化 、抗烧结 、隔热性好的热障涂层已成为 迫 切需 要 。
热障涂层材料的研究进展
热障涂层材料的研究进展
韩玉君;叶福兴;王志平;丁坤英
【期刊名称】《材料保护》
【年(卷),期】2011(44)3
【摘要】热障涂层技术广泛用于航空涡轮发动机等尖端领域,相关的研究涉及新型热障涂层材料的开发、粘结层成分和表面结构的优化、高温氧化后热生长氧化物(TGO)或TGO/粘结层(BC)界面处残余应力水平的检测、新型涂层制备工艺的开发等诸多方面。
主要阐述了对7-8YSZ热障涂层材料的改良、烧绿石结构材料的开发、超音速微粒轰击粘结层表面细晶处理等方面取得的研究进展,展望了热障涂层材料
较有潜力的研究方向。
【总页数】4页(P50-53)
【关键词】热障涂层;粘结层;7—8YSZ;烧绿石;高温氧化
【作者】韩玉君;叶福兴;王志平;丁坤英
【作者单位】天津大学材料科学与工程学院天津市现代连接技术重点实验室;中国
民航大学理学院
【正文语种】中文
【中图分类】TG174.453
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*2005民口配套项目 周洪:男,1972年生,博士生,讲师,主要从事材料表面技术的研究工作 E -mail :zhouhong @热障涂层材料研究进展*周 洪,李 飞,何 博,王 俊,孙宝德(上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室,上海200030) 摘要 简要概述了热障涂层材料的基本要求,介绍了国内外热障涂层材料近年来的研究状况和发展趋势。
目前广泛使用的是Y 2O 3稳定Z rO 2热障陶瓷材料及其粘结层材料,而稀土锆酸盐和稀土氧化物是非常有前景的隔热材料。
关键词 热障涂层 M C rAlY 二氧化锆 Research Progresses in Materials for Thermal Barrier CoatingsZHO U Hong ,LI Fei ,HE Bo ,WANG Jun ,SUN Baode(T he Sta te K ey Labor atory of M e ta l M at rix Co mpo sitio ns ,Shanghai Jiao tong U niver sity ,Shanghai 200030)A bstract T he rmal bar rie r coating s (T BCs )o ffer the po tential to significantly improve efficiencies of aero en -g ines a s w ell as g as turbine engines fo r po wer generatio n.State -of -the -ar t T BCs ,ty pica lly consisting of an y ttria -stabi -lized zir co nia top coat and a metallic bo nd co at ,hav e bee n widely used to prolong lifetime now adays.In the pape r ,re -sear ch status a nd prog resses o f materials for the rmal bar rie r coating s a re briefly rev iew ed.Except y ttria stabilized zir -co nia ,o ther materials such a s lanthanum zirconate and rar e ear th o xides a re also promising materials for thermal bar rie r co ating s.Key words ther mal bar rier co atings ,M CrA lY ,zir co nia 0 引言热障涂层(T hermal bar rier coating s ,简称T BCs )通常是指沉积在金属表面、具有良好隔热效果的陶瓷涂层,主要用来降低基体的工作温度,免受高温氧化、腐蚀、磨损。
美国N AS A -Lew is 研究中心为了提高燃气涡轮叶片、火箭发动机的抗高温和耐腐蚀性能,早在20世纪50年代就提出了热障涂层概念。
在涂层材料选择和制备工艺上进行较长时间的探索后,80年代初取得了重大突破,为热障涂层的应用奠定了坚实基础。
文献表明,目前先进陶瓷热障涂层能在工作环境下降低零件温度170℃左右[1～3]。
随着热障涂层在高温发动机热端部件上的应用,人们认识到热障涂层的应用不仅可以达到提高基体抗高温腐蚀能力,进一步提高发动机工作温度的目的,而且可以减少燃油消耗、提高效率、延长热端部件的使用寿命。
与开发新型高温合金材料相比,热障涂层的研究成本要低得多,工艺也现实可行[2,4]。
1 热障涂层系统材料体系高温隔热涂层的研究发展经历了数十年。
20世纪60年代研制出β-NiA l 基铝化物涂层,但其脆性大,A l 元素向基体扩散快,寿命短;之后出现了加入Cr 、Ti 、Si 、Y 、T a 、Pt 等元素改进的铝化物涂层,其中镀Pt 渗Al 形成的铂铝涂层具有较长的寿命。
目前普遍使用的热障涂层系统是以M Cr AlY (M =N i ,Co ,Fe ,N i +Co )高温抗氧化合金为中间粘结层,表面覆盖Y 2O 3稳定的Z rO 2陶瓷隔热涂层[5,6]。
1.1 热障涂层陶瓷材料热障涂层材料需要具有难熔、化学惰性、相稳定和低热导、低密度、高热反射率等重要物理化学特征,同时要考虑其热膨胀系数与基体材料相匹配。
另外,针对高温部件氧化腐蚀的问题,应当考虑低烧结率、界面反应和抗高温氧化腐蚀等因素。
陶瓷材料具有离子键或共价键结构,键能高,因此熔点高、硬度高、化学性能稳定,是热障涂层的理想材料。
但韧性、抗疲劳性和抗热震性较差,对应力集中和裂纹敏感。
目前使用的热障涂层陶瓷材料多为金属氧化物,这是因为金属氧化物陶瓷的导热以声子传导和光子传导机理为主,热导率较低且其涂层在富氧环境中具有良好的高温稳定性[7]。
常用氧化物陶瓷的导热顺序为[8]: BeO >M g O >Al 2O 3>CaO >Z rO 2常用热障涂层陶瓷材料有Al 2O 3、Z rO 2、SiO 2等,主要性能如表1所示[6,8～10]。
研究表明[1,2,4,9～12],Z rO 2是目前应用广泛、综合性能最好的热障涂层材料。
它具有高熔点、耐高温氧化、良好的高温化学稳定性、较低且稳定的热传导率和优良的抗热震性等特性,并且热膨胀系数接近金属材料。
纯Zr O 2具有同素异晶转变,常温下稳定相为单斜结构;高温下稳定相则为立方结构: 单斜相(m )1170℃950℃正方相(t )2370℃立方相(c )单斜相与四方相间转化因伴有3%～6%的体积分数变化而导致热应力产生,因此,使用纯Z rO 2制备的热障涂层不稳定。
为避免这个缺点,可采用M gO 、CaO 、CeO 2、Sc 2O 3、In 2O 3、Y 2O 3等氧化物来稳定Z rO 2,起到相变增韧的效果[8]。
最早使用的是22%M gO 完全稳定的Zr O 2,在热循环过程中M gO 会从固溶体中析出,使涂层热导率提高,降低了涂层的隔热性能。
CaO 对Zr O 2的稳定也不好,在燃气的硫化作用下,CaO 从涂层中析出,降低了对Zr O2的稳定作用[9]。
目前广泛使用的稳定剂是Y2O3。
Y2O3含量对Z rO2热导率的影响不大,密实的Y2O3稳定Z rO2中由于具有大量的氧空位、置换原子等点缺陷,对声子形成散射,因而热导率低。
加入12%～20%的Y2O3得到完全稳定的ZrO2立方相,可以避免高温工作过程中单斜/正方相的转变。
表1 热障涂层陶瓷材料及其主要性能T able1 M ajo r physical pr opertie s o f ce ramic as T BCs材料熔点,℃密度g/cm3导热系数(室温)W/(m K)热膨胀系数10-6/℃弹性模量GPa8YSZ*27005.62.1210.7-3A l2O32SiO218103.1563.34.5147α-A l2O320403.99218.0372Z rO227005.602.311.0～13.0140La2Zr2O72300-1.569.1175SiO217132.321.595-L aPO42070-1.810.5133BaZrO32690-3.428.1181 *w(Y2O3)=8﹪部分稳定的Z rO2研究表明:采用w(Y2O3)=6%～8%部分稳定的Z rO2 (Y SZ)具有最高的热冲击性能[12～14]。
这是由于一方面,加热过程中部分稳定的Z rO2中单斜相转变为正方相并伴随体积收缩,而立方相则随温度的升高而膨胀,体积内的收缩与膨胀相互抵消一部分,从而降低了热应力,产生了良好的抗热震性;另一方面,Y2O3部分稳定的Zr O2在加热、冷却过程中发生微量相变,吸收了能量,降低了裂纹扩展的能力,加上涂层内部本身具有的垂直微裂纹、孔洞等缺陷,降低了涂层材料的弹性模量,并通过自由膨胀和收缩来缓解释放中间粘结层与陶瓷层因热膨胀系数不匹配而产生的热应力,达到增韧效果,从而提高材料的抗热震性与寿命[6,8]。
YSZ组成相为:t相+少量m相+c相。
喷涂过程中,由于陶瓷涂层迅速冷却(冷却速度可达100℃/s)而形成大量的非平衡正方相t’。
t’相不会发生马氏体相变,具有更稳定的性能,其临界分解温度为1200℃。
非平衡相t’在1200℃下可较稳定存在;1200℃以上,转变为平衡相t,并伴有晶粒长大、微气孔收缩、烧结等现象,导热系数增大,界面热应力增大。
t相在冷却过程中会进一步向m相转变,易导致涂层中出现裂纹、剥落[5,15]。
普通喷涂用YSZ粉末多为实心微米材料。
随着科技的发展,YSZ粉末材料的形态也呈现多样化,纳米团聚粉末、微纳米复合团聚粉末、空心球形粉末等为热障涂层材料的开发应用开辟了又一片天地。
纳米材料本身具有量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应等独特性,使其具有极大的潜在应用价值。
与常规结构陶瓷相比,纳米陶瓷具有比热大、热导率低、热膨胀系数大、弹性模量小、结合强度高等特点,涂层显微结构显示出晶粒堆积紧密、气孔率低且结合性能较好[16],这些对于制备高性能TBCs极为有利。
Nieh等对Y2O3稳定的正方Z rO2的研究表明,当其晶粒尺寸小于300nm时,超塑性可变形达到800%[17]。
由于纳米粉体颗粒尺寸小、比表面积大、质量轻、流动性差、喷涂过程中易飘散,因此必须先进行团聚处理,而且在喷涂过程中,为保持原纳米特性,粉末颗粒应当只发生部分熔化,从而导致纳米涂层力学性能出现明显的“双态效应”[18]。
此外,由于T BCs的使用温度通常在1000℃以上,在高温下T BCs是否能保持其超细晶结构,是TBCs纳米化可行与否的一个重要环节。
研究表明,单相纳米A l2O3经1000℃长期退火后晶粒尺寸基本保持不变[19];Jiang等将超音速火焰喷涂制备的纯金属纳米镍粉在1000℃下保温1h,其尺寸也保持在100nm左右[20]。
而作为T BCs面层的Y2O3-Z rO2(YSZ)为多相结构,其稳定性比单相陶瓷更加优异。
有研究表明,采用粉末烧结法制备的纳米YSZ块体陶瓷,在1400℃以下基本无晶粒长大,即使在1450℃变形处理,陶瓷晶粒也保持在500nm以下,反映出纳米YSZ陶瓷具有较好的热稳定性[21]。
空心球形粉末具有流动性好、熔化特性高、沉积率高等优点。
涂层中存在较高的闭气孔率,可使涂层中的平均热导率下降,兼具较好的抗热冲击性能。