热障涂层的研究进展 终结篇
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》
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。
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。
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 。
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
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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 。
锆酸镧热障涂层研究
锆酸镧热障涂层研究本文旨在探讨锆酸镧热障涂层的研究进展，首先简要介绍锆酸镧热障涂层的基本概念、性能特点及其应用领域，然后阐述其在研究中的应用和意义，最后展望其未来发展趋势。
一、锆酸镧热障涂层概述锆酸镧热障涂层是一种新型的高温防护涂层，具有优良的热稳定性和隔热性能。
该涂层主要由镧系元素和锆酸根离子结合而成，通过采用溶胶-凝胶法、化学气相沉积法、热喷涂法等工艺制备。
锆酸镧热障涂层在高温环境下能有效降低被涂覆材料的热损失，提高其抗高温氧化和腐蚀的能力，具有重要的应用价值。
二、锆酸镧热障涂层的应用和意义1、航空航天领域：航空航天器在高速飞行过程中，机体表面会受到高温气流冲击，导致高温氧化和热腐蚀等问题。
锆酸镧热障涂层能够为航空航天器的关键部位提供有效的防护，延长其使用寿命。
2、能源领域：锆酸镧热障涂层在能源领域也有广泛应用，如燃气轮机、蒸汽轮机等高温设备的防护。
该涂层能够降低设备表面的热量损失，提高设备的能源利用效率和可靠性。
3、其它领域：除上述领域外，锆酸镧热障涂层还在玻璃、陶瓷、金属等材料表面涂层防护中表现出良好的应用前景。
此外，该涂层在光学、电子等领域的低温保温和高温抗氧化方面也具有重要的应用价值。
三、锆酸镧热障涂层的未来发展随着科学技术的发展，锆酸镧热障涂层在研究和应用方面仍具有广阔的发展空间。
未来，研究者们将致力于提高该涂层的综合性能、拓展其应用领域以及探索新的制备方法。
1、性能优化：通过调整涂层的成分和结构，以提高其在高温环境下的稳定性、抗氧化性和耐腐蚀性，从而延长其使用寿命。
此外，研发具有更高热导率的锆酸镧热障涂层材料也将成为未来的一个研究方向。
2、应用领域拓展：目前，锆酸镧热障涂层已应用于航空航天、能源等领域。
未来，可以进一步探索该涂层在新能源、汽车、工业炉窑等更多领域的应用，以促进其工业化进程。
3、新制备方法探索：为了满足不同基材和复杂形状构件的涂层制备需求，研究人员将致力于开发新的制备方法，如纳米注射技术、离子注入技术等，以实现锆酸镧热障涂层的高效制备和应用。
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。
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Thermal Barrier Coatings for Gas-TurbineEngine Applications
Science 296, 280 (2002);
DOI: 10.1126/science.1068609
Nitin P. Padture,1* Maurice Gell,1 Eric H. Jordan2
重点阐述
热障涂层成分的选择、结构设计、制备工艺、失效机理以及发展趋势。
随着科学技术的发展，在航天航空、燃气发电等领域，热障涂层得到更广泛
的应用。热障涂层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。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。
金属粘结层主要作用增强陶瓷涂层与基体的结合力、提高热膨胀系数匹配,
提高基体的抗氧化性。目前,常用作粘结层的合金为 MCrAlY, 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。由于
NiCoCrAlY 粘结层的抗氧化、抗热腐蚀综合性能较好，因此热障涂层大多采用
这种合金体系。MCrAl Y的成分对TGO 的生长速度、成分、完整性以及与基体
的结合力等因素有决定作用。
陶瓷层的作用：隔热 ,抗高温、热冲击性能及高温耐腐蚀性能。ZrO2 成为首
选是因为具有很高的熔点、良好的高温稳定性、低的热导率以及与基体材料最为
接近的热膨胀率。氧化锆是一种耐高温的氧化物，熔点是2 680 ℃，它有三种晶
体类型：单斜 四方 立方。从四方相向单斜相转变,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。研究结果表明当
Y2O3 含量小于6%时，在热循环过程中会发生四方相到单斜相的转变，导致涂
层剥落；在Y2O3 含量为6 %～8 %时 ,陶瓷涂层抗热循环性能最好,寿命最长。
可能适用于高温热障涂层的陶瓷材料主要有氧化锆、氧化铝、氧化钇/氧化铈稳
定的氧化锆、莫来石、锆酸镧、稀土氧化物等 但氧化钇/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。
TBC 主要有3 种结构: 双层系统、多层系统和梯度系统,。双层系统陶瓷层
一般为YSZ，粘结层材料普遍采用MCrAlY 合金。制备工艺简单, 是TBC 主要
采用的结构形式。多层系统 是在双层结构的基础上多加了几层封阻层。封堵层
可以阻止外部的V2O5、SO2 侵蚀粘结层, 降低氧的扩散速度, 能有效地防止粘
结层氧化。但抗热震性能改善不大, 而且工艺复杂。梯度系统 是在陶瓷层和基
体金属之间采用成分、结构连续变化的一种系统。它可以减小陶瓷层与粘结底层
因线膨胀系数不同而引起的内应力, 提高涂层的结合强度和抗热震性能,消除了
层状结构的明显层间界面, 使力学性能和线膨胀系数连续过渡,还形成了孔隙率
梯度。
从热障涂层技术的发展及应用来看,涂层的制备技术以等离子喷涂( PS)和电
子束物理气相沉积( EB2PVD) 两种为主。等离子喷涂( PS)是把金属或陶瓷粉末
送入高温的等离子体火焰，将喷涂材料加热到熔融或高塑性状态，在高速等离子
体焰流的引导下，高速撞击工件表面最终形成的喷涂涂层，操作简便，制备成本
低, 沉积率高，几乎适用于所有难熔材料的喷涂，组织为层状的等轴晶, 涂层与
金属基体的结合力相对较低,低的耐应变性，涂层是多孔的, 金属结合层易氧化导
致开裂，不适于喷涂结构复杂的工件。电子束物理气相沉积( EB2PVD) 是用高
能电子束加热并汽化陶瓷源，陶瓷蒸汽以原子形式沉积到基体上而形成的。组织
为柱状晶，柱状晶体与基体间属冶金结合，稳定性很好，具有良好的应变承受能
力, 提高了涂层的抗热疲劳的性能；表面光滑无需再加工，可在复杂构件上沉积。
技术难度大; 沉积速率低, 涂层的成分控制较困难。
热障涂层剥落的主要原因是热循环过程中应力的产生：TGO的热生长应力、
相变应力、温度梯度分布引起的热应力、热膨胀不匹配引起的热应力。TGO 在
TBCs 服役过程中不断生长增厚而引起生长应力 , 通常认为TGO 的生长是引
起热障涂层失效的主要原因 。
APS TBC的失效机理：1 在波峰位置, BC/ TGO 界面处的应力为拉应力, 而
在波谷位置该应力为压应力。随着TGO 厚度的增加, 拉应力随之增加而导致在
波峰位置沿BC/ TGO 界面的开裂。2 BC/ TC 界面的粗糙起伏形貌特征会导致
TGO/ TC 界面上的非平面应力状态在不同位置有所不同, 在波峰位置为拉应力,
而在波谷位置为压应力。拉应力引起波峰位置沿TGO/ TC 界面的开裂 3 拉
应力引起靠近波峰脆性TC 层中的开裂 。4 GO 厚度的增加造成了BC 层表面
的粗化, 改善了TGO 与BC 层间的结合, 使得二者在局部形成结合良好的/ 复
合体0。此时, 热应力在局部将不再受BC 层和TC 层间的热膨胀不匹配控制, 而
是受BC/ TGO/ 复合体0和TC 层间的热膨胀不匹配控制。当TGO 厚度超过某
一临界值时, BC/ TGO/ 复合体0 的热膨胀系数就会小于TC 层和BC 层各自的
热膨胀系数, 从而导致波谷位置的TC 层中的应力由压应力转变为拉应力 。这
种应力状态的转变将导致波谷位置的TC层中裂纹的产生。
EB2PVD TBCs 的失效机理：1 同APS TBCs 系统中的机理1一样 2
TGO/ TC 界面的开裂和随着TGO 的增厚TGO 向BC 层的渗入。3 由于
EB2PVD TBCs系统的TC/ BC 界面相对较平而且没有缺陷, 在TGO中压应力的
作用下将会产生TC 层大面积的鼓泡剥离。
纳米结构热障涂层，当陶瓷具备纳米结构时，脆性大大降低，涂层应力的释
放可以通过晶界滑动来实现。梯度结构热障涂层，包括成分连续、孔隙率连续及
多层结构变化3种。液体注入等离子体喷涂热障涂层，是一种很有前途的涂层制
备方法。特点：1)独特的显微结构2)纳米晶粒长大过程被抑制；3)有良好的抗热
震性能。
个人认为梯度结构热障涂层是非常有前景而且又非常实用的涂层，它既克服
了片状涂层的片层界面，又实现了成分和性能的连续过渡，而且还形成了孔隙率
梯度，它是具有双层和多层结构不具有的优点，所以梯度结构的热障涂层系统是
非常有潜力的。另外深入研究涂层的失效机理将是解决涂层失效问题的关键，也
是促进涂层发展的关键点，涂层的失效主要是TGO的生长所致，所以研究好它
的生长将对涂层失效的研究非常关键，另外，涂层寿命的预测是对涂层的使用和
热机的效率非常有用，开发更多的陶瓷涂层材料是涂层发展的关键。