热障涂层材料的进展
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。
稀土锆酸盐热障涂层材料的研究进展
２５８ ＮＡＩＨＵＯＣＡＩＬＩＡＯ／耐火材料２０２１／３ ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｎｈｃｌ．ｃｏｍ．ｃｎ稀土锆酸盐热障涂层材料的研究进展李迪 李享成 朱颖丽 陈平安 朱伯铨武汉科技大学省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室 湖北武汉４３００８１摘 要：稀土锆酸盐热障涂层材料具有耐高温、抗烧结、低导热、高温相结构稳定和抗腐蚀性能好等优点，被认为是最具有潜力的新型高温热障涂层材料体系之一。
概述了目前关于这种热障涂层材料体系的晶体结构、物理性能、力学性能、抗热震性以及热腐蚀性等的研究进展，并进一步展望了稀土锆酸盐热障涂层材料的发展方向。
关键词：稀土锆酸盐；热障涂层；晶体结构；热腐蚀性中图分类号：ＴＢ３２１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１－１９３５（２０２１）０３－０２５８－０６ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－１９３５．２０２１．０３．０１７ 热障涂层（ｔｈｅｒｍａｌｂａｒｒｉｅｒｃｏａｔｉｎｇｓ，ＴＢＣｓ）是指将具有低导热、耐高温、耐腐蚀等优异性能的陶瓷材料沉积在耐高温金属或超合金的表面，从而降低合金温度和提供力学和化学防护。
ＴＢＣｓ的发展经历了四个阶段，前三阶段主要是从２０世纪６０年代的镍铝基化合物涂层到２０世纪７０年代改进的铝化物，再到２０世纪８０年代的ＭＣｒＡｌＹ（Ｍ为Ｎｉ、Ｃｏ或Ｎｉ与Ｃｏ）热障涂层；第四阶段为２０世纪９０年代之后的氧化锆基陶瓷热障涂层，即氧化钇稳定的氧化锆（ＹＳＺ）。
ＹＳＺ主要是以氧化锆为基础，加入部分氧化钇，提高了涂层的稳定性，黏结层采用ＭＣｒＡｌＹ，制成经典的热障涂层双层结构，该类涂层的应用范围比之前有了广泛的提高［１］。
研究表明通过等离子喷涂（ＡＰＳ）技术制得的ＹＳＺ热障涂层表现出耐热和耐腐蚀等优良性能［２］。
但ＹＳＺ热障涂层长期在１２００℃以上的高温使用，会发生相变，涂层的性能发生急剧恶化，导致热循环寿命降低；另外，涡轮发动机使用的燃料成分里面通常会有钠和硫等杂质，而这些杂质最后会以硫化钠的形式发生沉积，Ｙ２Ｏ３容易遭到腐蚀而从ＺｒＯ２中析出，最终导致涂层剥落失效，已很难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。
中科院长春应化所热障涂层的设计和失效机理研究获进展
ｏ ｆ ｍａ ｇ ｎ ｅ ｔ ｒ ｏ ｎ Ｃ Ｏ — ｓ ｐ ｕ ｔ ｔ ｅ ｒ ｅ ｄ Ｖｌ — ｘ ＡＩ ｘ Ｎ ｃ ｏ ａ ｔ ｉ ｎ ｇ ｓ（ ２ ３ ２
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
热 障涂 层 研 究 领 域 有 较 高 影 响度 的 论 文 。 ２ ０ 篇 核 心 论著 的他 引总 次 数 １ １ ０ ０ 次 ，其 中
（ ２ ０ １ ３ ）３ １ １ ～ ３ １ ８）。论 文 刊 出后 引起 了 国 内外 学 者 的 广 泛
关注 （ 在该期刊 的Ｍｏ ｓ ｔ Ｄ ｏ ｗｎ ｌ ｏ ａ ｄ 区排名前２ ０ 位） 。 相关成果 已申请 国家发明专 利１ 项。 （中科 院宁波材料技 术与Ｚ － 程研究所 ）
障涂 层材 料８ Ｙ Ｓ Ｚ（ ８ ｗｔ ％ Ｙ ， Ｏ 。 稳 定 化 的
Ｚ ｒ Ｏ， ） 因在 高温 下 发生 相 变、烧 结和 透 氧 ， 不能承受 １ ２ ０ ０ ０ Ｃ以上 的高温。 目前 ，世界各 国都在 努力研 究能 替代８ Ｙ Ｓ Ｚ 、在更高 温度下
使 用的热障涂层材料。
成 果 简 报
中科院长春应 化所
免 除纯碳 质 滑动界面 的产生 ，从而 避免 强的碳 一 碳跨 界面相 互 作用 ，实现 了低含 氢Ｄ Ｌ Ｃ 在 高真空环境 中 Ａ ９ ， １ ＇ Ｅ 摩 擦、长寿 命。 研 究人员选用Ａ Ｉ ， ０ 、Ｚ ｒ Ｏ ， 两种 金属氧化物 陶瓷作为与碳 弱相互 作用 的对偶 材料 ，选用 Ｓ ｉ Ｃ ￣ ｎ Ｓ ｉ Ｎ 作 为与 碳具 有强相
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。
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]。
纳米结构热障涂层研究进展
研究发现，原料颗粒粒径分布范围越宽，喷涂得到的涂 层越能保持其纳米结构；相反，颗粒粒径分布窄，将失 去大部分纳米结构特征。细小的颗粒发生熔融并围绕
万方数据
第８期
纳米结构热障涂层研究进展
１０７
构ＹＳＺ在１２００℃下暴露不同时间后发现，涂层的烧 结过程可分为两个过程：第一阶段，随着涂层的致密化 和晶粒长大，硬度和弹性模量快速增加，且弹性模量和 纳米硬度的双峰分布现象开始消失，裂纹开始愈合；第 二阶段，由于微裂纹和气孔维持在了一个基本不变的 水平，ＹＳＺ的结构并未发生根本性的变化，硬度和弹 性模量略有增加。纳米结构ＹＳＺ的热导率仅为传统 涂层的９０％，氧化动力学遵从抛物线规律，较传统结 构涂层具有更优良的抗氧化性、热稳定性和抗热腐蚀 性能［５乳”］。热循环过程中，垂直裂纹、晶问断裂的形 成及四方相向单斜相的转变导致了纳米结构ＹＳＺ具 有更好的抗热震性能［５ ５。”。６…。与传统涂层的失效机理 相同，纳米结构涂层的失效主要发生于表面陶瓷层和 ＹＳＺ／ＴＧＯ界面附近［６１＿６。Ｉ，金属黏结层和表层陶瓷层 的热膨胀系数不匹配而产生的热应力是造成ＴＢＣＳ失 效的主要原因［６ ０。６“，有限元分析表明纳米结构ＹＳＺ ＴＢＣｓ中应力较低是导致其热循环寿命高于传统结构 涂层的直接原因［６ ５。６…。在其他ＴＢＣｓ材料方面，Ｗａｎｇ 等［６ ７１研究了纳米结构Ｌａ。Ｚｒ。Ｏ，涂层，Ｇｏｎｇ等邸…，Ｙｕ 等［６ ９。７叩研究了ＣｅＯ。，纳米Ａ１。Ｏ。掺杂ＹＳＺＴＢＣｓ，发现 这些纳米结构ＴＢＣｓ均具有“双模结构”特征，较传统 ＴＢＣｓ具有更优良的热循环寿命。Ｃｈｅｎ等口阳研究发现 激光后处理能提高纳米结构ＴＢＣｓ的抗热震性能。 倍的更细小液滴；（３）在热的等离子体射流中，溶剂被 蒸发，细小液滴浓度提高并发生沉淀，形成凝胶状的物 质；（４）凝胶状颗粒进一步受热升温并发生热解反应； （５）热解反应产物受热形成纳米固态颗粒；（６）在几毫 秒的时问内固态颗粒发生部分或完全熔融；（７）熔融的 颗粒撞击金属基板形成板条状涂层。
热障涂层制备技术及陶瓷层材料的研究进展_魏绍斌
用温度不超过 １１５０℃，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。另一方面，气膜冷却 技术的应用使得热端部件的成型加工工艺越来越 复杂，而且随着高性能发动机的发展，发动机中可 用冷气流量越来越少，依靠气膜冷却技术进一步提 高降温效果已没有太大的空间。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。在美国、欧洲以及我国的航空发动 机推进计划中均把热障涂层（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｂａｒｒｉｅｒ Ｃｏａｔ－ ｉｎｇｓ， ＴＢＣｓ）技术列为与高温结构材料、高效叶片冷 却技术并重的高性能航空发动机高压涡轮叶片技 术的三大关键技术［１］。
寻找更高性能的陶瓷涂层材料， 提高 ＺｒＯ２ 系 热障涂层的寿命极限， 一直是热障涂层研究中的一 个重要方向。其中，在热障涂层中，热导率的研究一 直以来受到研究者的高度重视，包括两个方面的内 容：一是寻找更低热导率的涂层材料；二是在现有 氧化锆陶瓷的基础上，寻找降低热导率的方法。低 热导率热障涂层材料的选择原则如下：（１） 材料本 身具有低的热导率；（２）与铝在热力学上稳定，不发 生化学变化；（３）能产生和稳定一定比例的孔隙。 综合考虑上述的性能要求， 从以往研究的陶瓷材料 来看，可能适用于高温热障涂层的陶瓷材料主要有 氧化锆、氧化锆 ／ 氧化铝、氧化铝、氧化钇 ／ 氧化铈 稳定的氧化锆、莫来石、锆酸镧、稀土氧化物、锆酸 锶、磷酸锆、硅酸锆、钛酸锆陶瓷等，其中氧化钇 ／ 氧化铈稳定的氧化锆整体性能为最好，仍是目前广 泛应用的陶瓷热障涂层。 3.1 新型热障涂层材料
一系列薄饼状涂层片条堆叠而成。同时，由于固体 粉末迅速通过等离子火焰区域，半熔化和未熔化的颗 粒与空穴的存在形成了 ＰＳ 涂层独特的显微结构［５］。
ＡＰＳ 涂层表面较为粗糙，孔隙率一般在 ４％￣２０％。 孔隙率主要来源于堆积的涂层片条间隙，由于粉末 颗粒不完全熔化撞击铺展时形成的不规则形状的 空穴。孔隙率水平可以通过调节喷涂参数来控制。 较高的孔隙率水平可以降低陶瓷涂层的热导率，提 高其隔热效果，是 ＴＢＣｓ 需要的［６］。
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。