热障涂层高温抗氧化性能研究的现状及发展
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。
涂层材料在高温环境下的性能分析与优化
涂层材料在高温环境下的性能分析与优化随着工业技术的不断发展，高温环境下的工作条件也日益普遍。
因此，对于材料在高温环境下的性能分析与优化变得尤为重要。
涂层材料作为一种重要的材料形式，广泛应用于高温工作环境中，其性能优化具有一定的挑战性。
在分析涂层材料在高温环境下的性能时，首先需要关注其耐热性能。
高温环境下，材料可能会受到热膨胀、热变形等因素的影响，导致性能下降甚至失效。
因此，涂层材料的耐热性能是优化的关键。
科学家们通过研究材料的热膨胀系数、热导率以及热稳定性等参数，以期找到最适合高温环境下使用的涂层材料。
进一步，涂层材料的化学稳定性也是需要考虑的因素。
在高温环境下，涂层材料可能会与周围环境发生反应，导致材料的化学性质发生变化，进而影响涂层的性能。
因此，在设计涂层材料时，需要考虑其在高温环境下的化学稳定性，并选择具有良好抗氧化和耐腐蚀性能的材料。
此外，涂层材料的机械性能在高温环境下也需要得到保证。
高温环境下，涂层可能会受到应力、振动等因素的影响，导致材料的破坏。
因此，在设计涂层材料时，需考虑其强度、韧性以及抗疲劳性等机械性能指标。
科学家们通过研究涂层材料的材质结构、加工工艺以及纳米材料的引入等方式，来提高涂层材料在高温环境下的机械性能。
优化涂层材料的性能，不仅需要从材料的角度出发，还需要考虑涂层的结构设计。
例如，合理设计多层涂层结构，能够增加涂层的耐热和抗氧化能力。
同时，利用多相相互作用原理，合理选择涂层材料的配比，可以实现涂层材料的强度和稳定性的平衡。
另外，通过表面改性等技术手段，可以改善涂层材料的抗磨损性能，提高其在高温环境下的使用寿命。
除了涂层材料的性能分析与优化，涂层应用技术的发展也是提高涂层材料性能的重要途径。
目前，越来越多的先进技术得到应用，如物理气相沉积、电化学沉积等，不仅可以提高涂层材料的成膜质量，还能够控制涂层材料的内部结构和成分分布，进一步改善性能。
综上所述，涂层材料在高温环境下的性能分析与优化具有一定的挑战性。
航空发动机涡轮叶片热障涂层研究现状
第52卷第11期表面技术2023年11月SURFACE TECHNOLOGY·139·航空发动机涡轮叶片热障涂层研究现状贾宜委，王鹤峰*，王宇迪，赵帅，昂康（太原理工大学 机械与运载工程学院，太原 030024）摘要：热障涂层是一种可以有效保障航空发动机涡轮叶片正常工作，同时显著提高其工作效率和服役时间的表面防护技术。
热障涂层的性能在很大程度上影响叶片的承温和抗腐蚀能力，进而间接影响航空发动机的服役性能。
涂层性能主要受其结构和材料2个方面的影响。
介绍了涂层结构的优缺点和研究进展，当前常见的结构形式有双层结构、多层结构和梯度结构；介绍了粘结层材料的研究进展；对陶瓷层材料的研究进展进行了详述，如YSZ的掺杂改性、A2B2O7型化合物、钙钛矿结构材料以及近年来兴起的几种高熵陶瓷材料，其中高熵陶瓷材料包括：高熵稀土钽酸盐、铝酸盐、锆/铪酸盐、磷酸盐、硅酸盐以及高熵稀土氧化物，分别从热导率、热膨胀系数、断裂韧性、热循环寿命和抗腐蚀能力等方面对其进行介绍；概述了热障涂层常见的几种失效形式如：TGO失效、CMAS腐蚀以及高温烧结，并且对其发生机理进行简要的介绍；展望了热障涂层未来的发展趋势和方向。
关键词：航空发动机；热障涂层；涂层结构；涂层材料；涂层失效形式中图分类号：TG174 文献标识码：A 文章编号：1001-3660(2023)11-0139-16DOI：10.16490/ki.issn.1001-3660.2023.11.011Research Status on Thermal Barrier Coating ofAircraft Engine Turbine BladeJIA Yi-wei, WANG He-feng*, WANG Yu-di, ZHAO Shuai, ANG Kang(College of Mechanical and vehicle Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China)ABSTRACT: With the continuous development of the aviation industry, people are putting forward higher requirements for the performance of aircraft engines. Thermal barrier coating is a surface protection technology and depositing it on the engine turbine blade surface can significantly isolate high temperature and reduce thermal shock and thermal corrosion impact, to ensure the normal operation of aircraft engine turbine blade in harsh and complex environment, and can also significantly improve engine efficiency and service time. The performance of the thermal barrier coating largely affects the bearing and corrosion resistance of the blade, which in turn has an impact on the service capabilities of the aircraft engine. The performance of the coatings is mainly affected by their structure and material system. Firstly, several structural systems of thermal barrier coatings are briefly described in terms of their advantages, disadvantages and research advances. Currently common structural收稿日期：2022-08-13；修订日期：2023-03-01Received：2022-08-13；Revised：2023-03-01基金项目：山西省回国留学人员科研项目“动态压剪条件下南极固定冰屈服行为的研究”（2020-030）；中国—白俄罗斯电磁环境效应“一带一路”联合实验室（ZBKF2022031101）Fund：Research Project of Returned Overseas Students in Shanxi Province, "Study of Antarctic Fixed Ice Yielding Behavior under Dynamic Compressive Shear" (2020-030); China-Belarus Electromagnetic Environmental Effects "One Belt, One Road" Joint Laboratory (ZBKF2022031101)引文格式：贾宜委, 王鹤峰, 王宇迪, 等. 航空发动机涡轮叶片热障涂层研究现状[J]. 表面技术, 2023, 52(11): 139-154.JIA Yi-wei, WANG He-feng, WANG Yu-di, et al. Research Status on Thermal Barrier Coating of Aircraft Engine Turbine Blade[J]. Surface Technology, 2023, 52(11): 139-154.*通信作者（Corresponding author）·140·表面技术 2023年11月forms include: double-layer structures, multi-layer structures and gradient structures. The classical double-layer structure is still most widely used. The preparation process of multi-layer and gradient structures is more complex and both multi-layer and dual ceramic layer structures are prone to interfacial bonding problems in use, which limits their widespread application. Secondly, the current research status of binder layer materials for thermal barrier coatings is summarized. The current research on MCrAlY alloy and NiAl alloy mainly focuses on the modification of doping elements and MCrAlY alloy still needs to be improved in terms of interfacial bonding and high temperature oxidation resistance, while the advantage of NiAl alloy mainly lies in its creep resistance and oxidation resistance, which can be used as a more ideal binder layer material after modification. At the same time, the research progress of several ceramic layer materials is introduced, such as the doping modification of YSZ, A2B2O7-type compounds, chalcogenide structural materials and several high-entropy ceramic materials that have emerged in recent years. The high-entropy ceramic materials mainly include: high-entropy rare-earth tantalates, high-entropy rare-earth aluminates, high-entropy rare-earth zirconates/hafniumates, high-entropy rare-earth phosphates, high-entropy rare-earth silicates and high-entropy rare-earth oxides, in terms of thermophysical attributes such as thermal cycle life and CTE. Currently, among the doping modifications of YSZ, multi-oxide doping provides more comprehensive performance enhancement. Doping modifications of A2B2O7-type compounds have also yielded good results, but the strength and fracture toughness of the materials need further improvement. Among the high-entropy ceramic materials, high-entropy rare-earth zirconates and high-entropy rare-earth oxides are highly promising materials for ceramic layers. In order to meet the increasing requirements for engine performance, the improvement of the performance of thermal barrier coatings still needs to be continuously explored.Common forms of failure of thermal barrier coatings, such as TGO failure, CMAS corrosion, salt spray corrosion and high temperature sintering, are reviewed and the mechanisms by which they occur are briefly described. Finally, future trends and directions for thermal barrier coatings are presented. In future research, attention should be paid to improving the mechanical properties of coatings, as well as to investigating the mechanisms behind changes in coating performance, and to achieving more accurate predictions of coating life based on current research.KEY WORDS: aircraft engines; thermal barrier coatings; coating structures; coating materials; coating failure forms随着我国航空工业的不断进步，人们对飞行器服役性能等方面的要求在逐渐提高。
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。
热障涂层研究状况及进展
仅 能够 提 高 氧化 物 膜 层与 基 体 结 合力 的 作 用 ， 而且 可 以改善 涂层 的 热 震性 能 ， 层 中还 可以 添 加 其他 涂 合 金化 元 素 ， ＨｆＴ 、 ｅ ， 有增 强粘 结层抗 氧 如 、 ａＲ 等 具 化及 抗 热腐 蚀和提 高 与基 体的结 合 力 的作 用“ 。
关键词
热 障涂层
ＭＱ Ａ１ ＺＯ Ｅ —ＶＤ 柱状 晶 热震 Ｙ ｒ ＢＰ
Ｋｅ ｗｏ ｄｓ ＴＢ ｙ ｒ Ｃｓ Ｍ Ｃｒ Ｙ ， ｒ ２ＥＢ ＰＶＤ ，ｙｉ ｄ ｒｃ ｙ ｔ ｌｔ ｅ ｍａ ｈ ｃ ， ＡＩ Ｚ Ｏ ， － ｃ ｌ ｅ ｒ ｓａ ，ｈ ｒ ｌｓ ｏ ｋ ｎ
热 障涂 层 （ Ｃ ） 利用 陶 瓷材 料热 导率 低 、 ＴＢ ｓ是 抗 氧化、 耐热 冲击等 特性 制 备的热 绝缘 陶 瓷层 ， 它能够 阻 止 外 部环 境 的热 量 向基 体 金 属 传递 ， 高 基 体 的 提
向于使 用 Ａｌ 含量 ＜ ７ ５ 质量 百分 比） ． ％（ 的涂 层 。 组 元 Ｃ 主 要提高 抗 氧化 和抗硫 蚀 。在高 温条件 下 ， ｒ
早在 ５ ０年代 末 ， 动 机热端 部件 采 用等离 子 喷 发 涂热 障涂层 的研 究工作 就 已开始“ 。最 初 是应 用 在 Ｘ１ 一 ５火箭 喷 嘴及燃气 涡 轮发 动机 的燃烧 室部 件 。 ０ ７ 年 代 中期 ， 离子 喷 涂 热 障涂 层 首 次成 功 地 在试 验 等 性 发动 机 上通 过 了地 面试 验 ， 标 志着 热 障 涂层 的 这 制备 和 应用进 入 了一个新 的时代 ０ 。 ０年代 ， ８ 热障 涂 层 应 用范 围不再 局限 于航天 航 空领域 ， 在轮船 、 汽 车、 能源 等领 域 的热 端 部件 上 也 有 广泛 的 应用 与研 究 ］ 。近 年来 ， 电子 束 物理 气相 沉 积 （ Ｂ Ｐ Ｅ —ＶＤ） 方 法 逐 渐 用于 制备 热 障 涂 层 ， 由于会 形 成 致密 的柱 状 晶结 构 ， 障涂 层 具 有很 大 的 应变 容 限 和更 高 的结 热 合 强 度 ， 大提 高 了热 障 涂层 的抗 热 冲击 能力“ ］ 大 。 电子束 物理 气相 沉积 技术 代表 了 目前 和 未来 更高性 能 热障涂 层制备 技术 的发 展方 向 。
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 。
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【1】航空发动机涡轮叶片热障涂层研究现状【2】概述航空发动机是现代航空运输的核心组件，而涡轮叶片则是发动机中最重要的零部件之一。
涡轮叶片承受着高温高压的工作环境，需要具备优异的耐热性和耐腐蚀性能。
为了提高涡轮叶片的寿命和性能，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探讨。
【3】热障涂层的作用热障涂层技术是通过在涡轮叶片表面涂覆一层耐高温材料，形成热障层，以减少叶片表面的工作温度，提高叶片的耐热性能和抗氧化能力。
热障涂层能够有效减少涡轮叶片的热应力和热疲劳损伤，延长叶片的使用寿命，并提高发动机的工作效率和可靠性。
【4】热障涂层研究的发展历程热障涂层技术在航空领域的发展可以追溯到上世纪50年代，最初采用的是金属涂层。
然而，金属涂层存在着氧化、粘结力差等问题，限制了其应用。
随着陶瓷涂层材料的研究和发展，陶瓷涂层逐渐取代金属涂层成为主流。
目前，热障涂层的研究重点主要集中在材料性能的优化、工艺改进以及涂层与基底材料之间的耦合问题等方面。
【5】热障涂层材料的选择航空发动机涡轮叶片的热障涂层材料需要具备优异的耐高温性能、热膨胀系数匹配性和抗氧化能力。
目前常用的涂层材料主要有氧化铝、氧化锆和复合材料等。
不同的涂层材料具有各自的特点和优势，在应用中需要根据具体的工作环境和性能要求来选择合适的材料。
【6】研究热障涂层的关键技术热障涂层的研究涉及到材料制备、涂层工艺、热处理和性能评价等多个方面。
其中，材料制备的关键技术包括热喷涂和物理气相沉积等方法，涂层工艺的关键技术包括预处理、喷涂参数控制和后处理等。
涂层与基底材料之间的耦合问题也是热障涂层研究中的一个重要方向。
【7】热障涂层的性能评价热障涂层的性能评价主要包括热稳定性、热膨胀性、抗氧化性和机械性能等指标。
常用的测试方法有热循环试验、热膨胀系数测试、高温氧化试验和机械性能测试等。
通过对涂层性能的评价，可以为进一步改进和优化涂层设计提供参考和依据。
航空发动机热障涂层材料体系的研究
航空发动机热障涂层材料体系的研究航空发动机热障涂层材料体系的研究航空发动机热障涂层材料体系的研究一直是航空工程领域的关键课题。
随着发动机设计的不断进步，发动机的工作温度也越来越高，因此对热障涂层材料体系的研究和开发变得尤为重要。
热障涂层材料体系是一种能够在高温环境下保护发动机组件不受热损伤的表面涂层。
它的主要作用是降低发动机工作温度，减少热膨胀、热应力和热疲劳等问题，从而提高发动机的性能和寿命。
目前，航空发动机热障涂层材料体系的研究主要集中在两个方面：涂层材料和涂层结构。
涂层材料的研究主要包括陶瓷材料和金属材料。
陶瓷材料因其优异的耐高温性能而受到广泛关注，如氧化铝、氧化锆等。
而金属材料由于其良好的导热性能，在一些特殊应用中也被广泛使用。
研究人员通过改变材料的组分和结构，提高其抗高温氧化、抗热应力和抗热疲劳等性能，以满足航空发动机的要求。
涂层结构的研究包括单层涂层和多层涂层。
单层涂层是指将一种材料直接涂覆在基材表面，其优点是制备简单、成本较低。
然而，由于单层涂层的导热性能较差，其在高温环境下的保护效果有限。
因此，研究人员开始将多层涂层应用于航空发动机热障涂层中。
多层涂层由多种材料层叠组成，可以兼顾不同材料的优点，提高涂层的导热性能和耐热性能。
此外，航空发动机热障涂层材料体系的研究还包括涂层制备工艺的研究。
制备工艺对涂层的性能和结构有着重要影响，因此研究人员致力于寻找更加先进、高效的制备技术，如等离子喷涂、物理气相沉积等。
总而言之，航空发动机热障涂层材料体系的研究是航空工程领域的一项重要研究课题。
通过不断改进涂层材料和涂层结构的性能，并研究制备工艺的先进化，可以提高发动机的性能和寿命，为航空工程发展做出贡献。
热障涂层的研究现状与发展方向
热障涂层的研究现状与发展方向热障涂层（Thermal Barrier Coatings，TBCs）是一种应用于高温环境下的保护材料，可有效隔热、降低热应力，提高材料的使用寿命和性能。
随着高温领域的不断发展和应用需求的增加，热障涂层的研究也取得了很大的进展。
本文将介绍热障涂层的研究现状和未来的发展方向。
研究现状：1.材料选择：目前，热障涂层常用的材料是陶瓷氧化物，如氧化锆（ZrO2）。
这是因为氧化锆具有良好的高温稳定性和热隔离性能。
同时，为了增加涂层的韧性，常常将氧化锆与其他材料进行复合，如氧化钇（Y2O3）、氧化钆（Gd2O3）等。
2.涂层制备技术：常用的涂层制备技术有等离子喷涂、磁控溅射、物理气相沉积等。
这些技术可以形成致密、均匀的涂层，并能够提供所需的性能。
3.高温性能：研究人员通过改变合金元素的含量和添加合金元素，来改善热障涂层的高温性能。
例如，钛合金元素的添加可以提高热障涂层的抗氧化和抗热腐蚀性能。
4.应用领域：热障涂层广泛应用于航空、能源、汽车等领域。
例如，用于航空发动机的热障涂层可以提高发动机的工作温度，提高燃烧效率，降低燃料消耗。
发展方向：1.纳米材料研究：纳米材料具有较高的比表面积和界面效应，可以提高热障涂层的热导率和热膨胀系数匹配性。
因此，研究者们正在探索利用纳米材料制备热障涂层，并研究其热性能。
2.多层涂层研究：多层热障涂层可以提供更好的隔热性能和更高的耐热性。
目前，研究人员正在研究不同层次和组分的多层涂层结构，以提高涂层的性能。
3.高温腐蚀性能研究：热障涂层在高温腐蚀环境中容易受损。
因此，研究者们正在研究改善热障涂层的高温腐蚀性能，以提高其使用寿命。
4.综合性能优化：除了热性能，热障涂层的机械性能、热膨胀系数匹配性、附着强度等都是重要的指标。
因此，未来的研究将更加注重综合性能的优化，以提高热障涂层的整体性能和可靠性。
总结：热障涂层作为一种重要的保护材料，在高温环境下担负着隔热和降低热应力的任务。
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。
耐热不锈钢的高温抗氧化涂层研究
耐热不锈钢的高温抗氧化涂层研究引言：随着工业发展的进一步推进，高温环境下材料的性能需求日益增加。
耐热不锈钢作为一种重要的结构材料，在高温条件下具有优异的耐腐蚀和耐氧化性能，广泛应用于航空航天、能源和化工等领域。
然而，由于长期在高温环境下使用，耐热不锈钢容易受到氧化破坏，导致材料性能下降。
因此，开发出高温抗氧化涂层是提高耐热不锈钢使用寿命和性能的重要途径。
高温抗氧化涂层的研究进展：1. 传统的高温抗氧化涂层传统的高温抗氧化涂层主要以铝基涂层为代表，通过形成致密的氧化铝层来提高材料的氧化抗性。
这种涂层通常通过化学气相沉积、物理气相沉积和热喷涂等技术制备，能够有效提高耐热不锈钢的高温抗氧化性能。
然而，传统涂层在一些特殊应用条件下存在一定的局限性，如固溶处理温度低、成本较高等问题，因此需要进一步的研究。
2. 新型高温抗氧化涂层的研究为了克服传统高温抗氧化涂层的局限性，近年来，研究人员提出了一系列新型高温抗氧化涂层的设计和制备方法。
其中包括：(1) 纳米复合涂层：利用纳米材料的特殊性质，如高比表面积和界面相互作用等，将纳米颗粒与基体材料相结合，提高涂层的抗氧化性能。
例如，在铝基涂层中引入纳米颗粒，可以显著减少氧化物层的生长速率，使涂层具有更好的高温稳定性。
(2) 涂层结构设计：通过调控涂层的结构和成分，提高涂层对高温气氛的稳定性。
例如，采用多层复合结构、梯度结构或合金化涂层等方法，可以有效抑制氧化层的形成，提高涂层的耐热性能。
(3) 化学改性涂层：通过对涂层材料的化学成分进行改变，提高涂层的氧化抗性。
例如，添加Ti、Si等元素，形成更稳定的氧化物，可以有效提高涂层的抗氧化性能。
(4) 表面改性涂层：在涂层表面引入功能性纳米颗粒，形成高温抗氧化保护膜，从而提高涂层的抗氧化性能。
例如，在涂层表面引入纳米氧化铝颗粒，可以形成致密的氧化保护层，提高耐热不锈钢材料的高温抗氧化性能。
挑战与机遇：高温抗氧化涂层的研究面临一些挑战，其中包括：1. 涂层与基体的结合性能问题：涂层与基体之间的结合强度是保证涂层性能稳定性和可靠性的关键因素。
热障涂层隔热性能研究
热障涂层隔热性能研究热障涂层隔热性能研究热障涂层(Thermal Barrier Coatings, TBCs)是由陶瓷氧化物面层和起粘结作用的底涂层组成的防热系统。
它利用陶瓷材料优异的耐高温、耐冲刷、抗腐蚀和低导热性能,提高金属部件的许用工作温度,增强热端部件的抗高温能力,延长热端部件的使用寿命,提高发动机的工作效率。
由于热障涂层带来的隔热效果直接影响发动机的性能和可靠性,因此准确测定TBCs的隔热效果对于发动机设计和探索降低TBCs热导率的途径都非常关键,已经成为热障涂层最重要的性能要求之一。
鉴于传统的在发动机装机后实际运行时测试热障涂层隔热效果这一方法存在诸多弊病,如测试周期长、耗资巨大、方法复杂、风险大等,因此,建立一种在装机前进行发动机关键部件热障涂层隔热效果的表征与测定方法已非常必要和迫切。
目前广泛使用的热障涂层材料是氧化钇部分稳定的氧化锆(YSZ),该材料的使用温度不能超过1200℃,并且采用电子束物理气相沉积(EB-PVD)时热导率偏高,不能满足未来高性能航空发动机的要求。
因此,研究新结构或新材料热障涂层已成为未来高性能航空发动机研制的关键问题。
采用激光脉冲法测定涂层热物理性能,结合涂层厚度、冷气流量、使用环境温度等对YSZ热障涂层的隔热效果进行表征和评定,并与隔热温差实测结果进行对比研究;同时研究温度、热历史、尺寸效应和激光穿透性问题对热障涂层热扩散系数等热物理性能的影响,探索解决激光脉冲法中存在的激光穿透性问题的途径。
结果表明,采用热物理性能法得到的隔热效果计算结果与实测结果吻合较好,能够满足隔热效果工程评定要求。
随测试温度升高,EB-PVD热障涂层的宏观热扩散系数先减小再增大,但在整个测试温度范围内,其幅度不大。
热处理使EB-PVD热障涂层中产生了垂直于基体表面的微裂纹,导致涂层热扩散系数高于沉积态。
喷Au加胶态石墨复合遮挡处理有效地解决了激光脉冲法测试涂层热扩散系数时的激光穿透性问题。
新型热障涂层材料的研发与性能优化
新型热障涂层材料的研发与性能优化随着航空、航天、能源等领域的不断发展，热障涂层材料越来越重要。
它们是一种用于减少高温环境下材料热损失的涂层，广泛应用于航空发动机叶片、燃烧室内衬、热交换器和燃气轮机叶片等部件上。
但是，随着现代工业和科技的不断进步，对热障涂层材料的性能要求也越来越高。
因此，新型热障涂层材料的研发和性能优化变得尤为重要。
第一，研发新型热障涂层材料的需求热障涂层材料在航空、航天、能源等领域中，有着不可替代的重要作用。
但随着现代科技的不断发展，更高的性能要求也在不断提出，例如高温抗氧化性、高温低热传递、高韧性、高耐磨性等等。
而传统的热障涂层材料已经无法满足这些要求，因此需要研发新型热障涂层材料。
第二，新型热障涂层材料的分类新型热障涂层材料包括光子晶体、纳米材料、复合材料、金属基材料、氧化物材料等。
这些材料都具有较高的性能，但它们的应用和实践还需要与传统材料进行比较和研究，以确定其性能和适用性。
第三，对新型热障涂层材料的性能优化针对新型热障涂层材料的缺点和优点，可以通过以下方式进行性能优化：1. 不断进行材料的研究和测试，以保证热障涂层材料的稳定性、热慢变性等性能。
2. 提高材料的抗氧化性和耐热性能，以保证热障涂层材料的长期使用寿命。
3. 研究和发展新的热障涂层材料的生产、制备和加工工艺，以降低成本、提高热障涂层材料的质量和性能。
4. 增强热障涂层材料的损伤诊断和评估技术，以预测和评估热障涂层材料的损伤和寿命，提升使用可靠性。
第四，新型热障涂层材料的应用新型热障涂层材料不仅能够应用于航空发动机叶片、燃烧室内衬、热交换器和燃气轮机叶片等部件上，还能应用于其他领域，例如石油化工、电力设备、医疗和船舶等领域。
这些材料可在高温和极端环境下发挥重要的作用，使机械设备能够更加可靠和稳定地运行，从而提高生产效率和使用安全性。
总结新型热障涂层材料的研发和性能优化是一个重要的课题，需要不断地进行材料的研究、测试和开发。
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。
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。
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。
航空发动机涡轮叶片热障涂层研究现状
航空发动机作为现代航空航天领域的核心动力装置，其性能的优劣直接关系到飞行器的飞行效率、可靠性和安全性。
而在航空发动机的众多关键部件中，涡轮叶片起着至关重要的作用。
涡轮叶片在高温、高压、高速的恶劣工作环境下运行，承受着巨大的热负荷和机械负荷，因此对其进行有效的防护和隔热至关重要。
热障涂层作为一种有效的防护手段，近年来在航空发动机涡轮叶片领域得到了广泛的研究和应用。
热障涂层的概念最早可以追溯到上世纪五六十年代，当时主要应用于火箭发动机的燃烧室部件。
随着航空技术的不断发展，热障涂层逐渐被引入到航空发动机涡轮叶片上，以提高其耐高温性能和使用寿命。
经过多年的发展，热障涂层技术已经取得了显著的进步，并且在不断地完善和创新。
一、热障涂层的工作原理和性能要求热障涂层的主要作用是降低涡轮叶片表面的温度，从而保护叶片免受高温的损害。
其工作原理是通过在涡轮叶片表面形成一层具有低热导率的涂层，阻挡热量向叶片内部的传导，同时阻止叶片表面的热量向外辐射，从而达到隔热的效果。
热障涂层通常由陶瓷层和金属粘结层组成，陶瓷层具有较高的熔点和低热导率，能够承受高温环境；金属粘结层则起到连接陶瓷层和叶片基体的作用，并且具有良好的高温稳定性和抗氧化性。
热障涂层的性能要求非常严格，主要包括以下几个方面：1. 良好的耐高温性能：能够在航空发动机工作的高温环境下长期稳定运行，不发生熔化、分解或剥落等现象。
2. 较低的热导率：有效地降低叶片表面的温度，提高叶片的热效率。
3. 良好的热稳定性：在温度变化和热循环过程中，涂层不发生开裂、剥落或变形等问题。
4. 良好的抗氧化性和抗腐蚀性能：能够抵抗发动机燃烧气体中的氧化和腐蚀作用，延长涂层的使用寿命。
5. 与叶片基体良好的结合力：确保涂层在长期的工作过程中不脱落。
6. 较低的热膨胀系数：与叶片基体的热膨胀系数相匹配，减少因热应力引起的涂层开裂和剥落。
二、热障涂层的制备方法目前，常用的热障涂层制备方法主要有等离子喷涂、电弧喷涂、火焰喷涂、物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD）等。
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。
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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
ｂａｒｒｉｅｒ ｃｏａｔｉｎｇｓ ｍｏｄｉｆｉｅｄ ｂｙ ｌａｓｅｒ ｒｅｍｅｌｔｉｎｇ［Ｊ］．Ｓｕｒｆａｃｅ ａｎｄ
既然ＴＧＯ是导致热障涂层系统失效的关键因素之 一，那么就应该找到相应的措施来抑制ＴＧＯ的生长速， 度，以往控制ＴＧＯ，提高热障涂层抗疲劳性能，延长热 障涂层寿命的措施有以下两类：
（１）通过降低氧及金属离子在陶瓷层及粘结层中 的扩散速率来减慢ＴＧＯ的形成与生长速度，延长ＴＧＯ 长到临界值的时间。方法主要有：①双倍激光重熔陶 瓷涂层表面，封住陶瓷层表面的孔隙，形成密封的保护 层，阻碍氧气向ＢＣ层的扩散，进而阻止了ＢＣ层金属 的进一步氧化，提高抗氧化性能；②陶瓷层经过ＨＩＰ （ｈｅａｔ ｉｓｏｔｈｅｒｍａｌ ｐｒｅｓｓ）处理，闭合了陶瓷涂层中的孔 隙，也能阻碍氧气向内扩散，防止金属氧化，控制ＴＧＯ
料、粘结层材料、涂层结构、制备工艺及涂层失效机理
等方面进行了大量研究。文中就热障涂层在高温氧化
环境下服役后产生热生长氧化物（ＴＧＯ）对热障涂层高
温抗氧化性能的影响进行分析和讨论。
１热障涂层系统
热障涂层（ＴＢＣ：ｔｈｅｒｍａｌ ｂａｒｒｉｅｒ ｃｏａｔｉｎｇ）技术是一 种表面技术，涂层是由绝热和抗高温氧化材料组成的 涂层系统，在发动机热端部件上有着越来越广泛的应 用。所谓热障涂层，一般是指耐腐蚀抗氧化金属粘结 底层（形成ＡＩ：Ｏ，保护膜）和隔热陶瓷面层（通常为氧 化钇稳定氧化锆陶瓷涂层ＹＳＺ：Ｙｔｔｒｉａ Ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ Ｚｉｒｃｏ－ ｎｉａ）所构成的双层系统。在高温环境下，粘结层很容易 氧化成一层热生长氧化物（ＴＧＯ：ｔｈｅｒｍａｌｌｙ ｇｒｏｗｎ ＯＸ— ｉｄｅ）。因此热障涂层系统一般包括４个部分，即陶瓷面 层（ＴＣ：ｃｅｒａｍｉｃ ｔｏｐ ｃｏａｔ），金属粘结层（ＢＣ：ｂｏｎｄ ｃｏａｔ），
ｒ蜉掳专题综述‰黝
热障涂层高温抗氧化性能研究的现状及发展
中国民航大学（天津市３００３００） 纪朝辉王敏转王志平冯日宝
摘要热障涂层是目前最为先进的高温防护涂层之一，它具有良好的隔热效果与抗高温氧化性能。文中从热 障涂层的制备工艺及其长期在高温腐蚀的恶劣环境下的失效机制等方面，综述了热障涂层在高温环境下服役时， 在粘结层和陶瓷面层之间生成一层热生长氧化物，热生长氧化物生成与生长如何导致涂层失效及如何改善高温抗 氧化性能研究的热点问题，在此基础上提出了作者关于如何提高涂层抗氧化性能的一些新观点。
在高温条件下，ＴＧＯ的形成是一个体积膨胀过程， 因此。形成ＴＧＯ时会随之出现残余压应力，冷却到环境 温度时，残余压应力会进一步增大，应力的形成和长大 会在陶瓷层（等离子喷涂热障涂层）或ＴＧＯ（ＥＢ—ＰＶＤ 热障涂层）的显微缺陷处引起（或增加）垂直于陶瓷层／
２００９年第６期 １１
俘搭专题综述历么摊黝
参考文献
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图４ １１００℃ＴＢＣ热震４８次后截面图 ３．２ ＴＧ０的形成过程
ＭＣｒＡｌＹ喷涂粉末制备及涂层沉积过程中，合金中 的少量ｍ氧化成Ａｌ：Ｏ，。热障涂层在长期高温氧化环 境下服役时，环境中的氧沿着ＴＣ层向ＢＣ层表面扩散， 在ＢＣ层表面，金属舢选择性氧化形成ＡＩ：０，，其为一 层非常致密的薄膜，如图４所示，可以阻碍或减缓有害 元素氧、硫及内部金属离子的扩散，防止ＢＣ层进一步 氧化【ｌ ８１，氧化物层生长速度得到了控制，延长了涂层使 用寿命。 ３．３ ＴＧＯ形成对ＴＢＣ的影响
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ｓ岫８ ［４］Ｍａｕｒｉｃｃ Ｃｅｌｌ，Ｅｒｉｃ Ｊｏｒｄａｎ．Ｂｏｎｄ ｓｕｔｎｇｔｈ，ｂｏｎｄ
ａｎｄ
８ｐａｌｌ且ｔｉｏ．ｎｌｅｃｈａｌｌｉｓｌｎ８ ｏｆ ｔｈｅｎｍｌ ｂｌｉｌＴｉｅｌｒ ｃｏａｔｉｎｇ［Ｊ］．Ｓｕｒｆａｃｅ
在ＡＰＳ喷涂的陶瓷层中，因为快冷，涂层系统形成 松孔片层组织。结构松散，陶瓷面层中存在着较多的微 裂纹、孔隙及未完全熔化的颗粒等缺陷，这些缺陷虽然 可以减少陶瓷层的弹性模量，但是氧在其中的扩散到 达粘结层也更容易。随高温氧化的继续进行，底层金 属氧化严重，其氧化物沿陶瓷面层内的裂纹或孔隙生
长，最后造成ＴＢＣ失效。因此‘９１，ＡＰＳ涂层的失效主要 是由粘结层的氧化引起的，失效一般发生在ＴＧＯ层与 ＴＣ层之间，靠近Ｔｃ层一侧，如图２所示。
ａｎｄ Ｃｏａｔｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ。１９９９，１２０—１２１（１１）．５３—６０． ［５］ 李美妲，胡望宇，孙晓峰，等．热障涂层的研究进展与发
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＾ ＆ ３ 、 憾 嘿 嘏 ｛毫
图５试样氧化后期的ＸＲＤ图
的长大厚度；③使用脉冲电子束处理金属粘结层表面． 形成非晶的ＡＩ，Ｏ，保护层，具有很好的抗氧化性能，因 而阻碍了ＴＧＯ的生长，提高了ＴＢＣ的抗氧化性能。
（２）使用电镀或化学气相沉积方法，在ＢＣ层表面 制备一层连续的均匀的Ｐｔ一改性Ａｌ保护薄膜。加以 扩散热处理，形成结构复杂的氧化保护层（主要成分为 ａ一灿：Ｏ，），防止氧气渗入，抑制ＴＧＯ的生长，提高抗 氧化性；
ｒａｄａｔｉｏｒｌ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ ｏｆＺｒ０２—８埘％Ｙ２０３／Ｎｉ一２２ｃｒ一
嚣匝
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图２ ＡＰＳ沉积的热障涂层的破坏模式 ＥＢ—ＰＶＤ与ＡＰＳ制备的涂层结构有明显的不同， 所制备的涂层几乎没有残余应力。这是由于气相沉积 涂层有形核长大过程，因而形成柱状晶结构【１引。由于 柱状晶间存有一定的间隙，这些间隙允许柱状晶横向 的伸缩，因此涂层具有很高的应变容限，涂层的弹性模 量可降低到零，这种柱状晶更能有效地承受由热失配 引起的热应力。加之，这种气相沉积时先形成一细的 等轴晶层，之后形成枝构及柱状晶，从而可以改善陶瓷 层与中间层的结合力。涂层抗剥落寿命比等离子喷涂 层提高约７倍…Ｊ。涂层退化主要发生在ＢＣ层与ＴＣ 层间的ＴＧＯ。显微裂纹最初沿柱状晶界形成，加速了 氧离子的传输，ＢＣ层发生比较严重的内氧化，在ＴＧＯ 与ＢＣ层分界面附近出现大量大颗粒氧化产物，导致应 力增加，引起热障涂层失效¨２ｌ，如图３所示。由于涂层 制作成本较高，目前只用于涡轮发动机转子叶片等服 役环境特别恶劣的部位。
分析了以上几种方法的利弊后，突破以往的思路， 作者提出新的延缓热障涂层失效措施，在ＢＣ层的氧化 初期，加速形成连续单一致密的ｃｔ—Ａ１：Ｏ，保护膜，延 长了ＴＧＯ长大到临界值的时间。目前作者正在研究这 方面的课题旧Ｉ．２２１，并获得了一定的成效。
５结束语
图６氧化后期试样截面图
４抑制ＴＧＯ生长改善ＴＢＣ抗氧化性能的影响
除了上述两类还有：采用蚀刻增大结合面积以提 高界面结合强度；制备具有超塑性、断裂韧性高、抗热 震能力强、热膨胀系数大、热导率低等特性的纳米陶 瓷ⅢＪ。以上这些措施都有效地控制了ＴＧＯ层的增厚， 延长了热障涂层的寿命，但是都存在一定程度的不足， 如第一类中激光重熔或脉冲电子束处理，由于处理过 程中温度高，在涂层、基体产生热残余应力；ＨＩＰ处理方 式对处理内部空洞效果很差；第二类在ＢＣ层表面沉积 Ａｌ经过扩散处理，扩散时间长，成本高，而且沉积厚度 及均匀度都有严格要求，操控度差，不利于实际生产。
［７］ Ｍｉｌｌｅｒ Ａ．Ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｔａｔｕｓ ｏｆ ｔｈｅｒｍａｌ ｂａｌＴｉｅｆ ｅｏａｔｉｎｔｇｓ ａｌｌ ＯＶｅｒ＋
ｖｉｅｗ．Ｓｕｒｆａｃｅ ａｎｄ Ｃｏａｔｉｎｇｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１９８７，３０（１）：１一１１． ［８］ ＶＣｕ Ｂｏ—Ｃｈｅｒｔ，Ｃｈａｎｇ Ｅｄｗａｄ，Ｃｈａｎｇｅ Ｓｈｉｈ－Ｆｅｎｇ，ｅｔ ａ１．Ｄｅｇ－
却技术的同时，采用等离子弧喷涂（ＡＰＳ）口１或电子束 相容性，增强Ｔｃ与ｓ的结合力，缓解Ｔｃ—ｓ界面的热