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
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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
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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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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
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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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