热障涂层材料(曹学强编著)思维导图

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·

收稿日期：2021–12–18；修订日期：2022–04–25 Received：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。 Biography：LIU Jia-hang (1997-), Male, Postgraduate, Research focus: thermal barrier coating. 通讯作者：吕哲（1987—），男，博士，副教授，主要研究方向为热障涂层、热喷涂技术。 Corresponding author：LYU Zhe (1987-), Male, Doctor, Associate professor, Research progress: thermal barrier coating, thermal spraying technology. 引文格式：刘嘉航, 吕哲, 周艳文, 等. 热障涂层先进结构设计研究进展[J]. 表面技术, 2023, 52(4): 85-99. LIU Jia-hang, LYU Zhe, ZHOU Yan-wen, et al. Research Progress of Advanced Structural Design of Thermal Barrier Coatings[J]. Surface Technology, 2023, 52(4): 85-99. 热障涂层先进结构设计研究进展

等离子体喷涂厚热障涂层的研究进展

第49卷第6期

2021年6月硅酸盐学报 Vol. 49，No. 6

June，2021 JOURNAL OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY

DOI：10.14062/j.issn.0454-5648.20200691

等离子体喷涂厚热障涂层的研究进展陶诗倩1,3，李伟3，杨加胜1,2, 陶顺衍1,2

(1. 中国科学院上海硅酸盐研究所，中国科学院特种无机涂层重点实验室，上海 201899；

2. 中国科学院大学材料与光电研究中心，北京 100049；3. 上海理工大学材料科学与工程学院，上海 200093)

摘要：厚热障涂层(TTBCs)具有良好的隔热性能，能够有效提高航机涡轮/燃机透平前的燃气入口温度。等离子体喷涂工

艺是制备TTBCs的典型方法。综述了等离子体喷涂TTBCs的国内外研究现状，指出了TTBCs所面临的挑战。着重从单

片层、涂层结构及性能等方面展开探讨，同时对其发展趋势进行了展望。

关键词：等离子体喷涂；厚热障涂层；微结构；服役性能

中图分类号：TQ174.75 文献标志码：A 文章编号：0454–5648(2021)06–1195–11

网络出版时间：2021–04–06

Research Progress on Plasma Sprayed Thick Thermal Barrier Coatings

TAO Shiqian1,3, LI Wei3, YANG Jiasheng1,2, TAO Shunyan1,2

(1. Key Laboratory of Inorganic Coating Materials CAS, Shanghai Institute of Ceramics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201899, China;

211114961_服役环境对涡轮导向叶片热障涂层失效模式的影响

第52卷第4期表面技术 2023年4月 SURFACE TECHNOLOGY ·261·

收稿日期：2022–04–20；修订日期：2022–06–29 Received：2022-04-20；Revised：2022-06-29 基金项目：中央高校基本科研业务经费重点项目（3122019189）；天津市研究生科研创新项目（2021YJSO2B08） Fund：Key Projects for Basic Business Funds of Central Universities (3122019189); Tianjin Postgraduate Research Innovation Project Grant (2021YJSO2B08) 作者简介：韩志勇（1970—），男，博士。 Biography：HAN Zhi-yong (1970-), Male, Doctor. 通讯作者：丁坤英（1981—），男，博士。 Corresponding author：DING Kun-ying (1981-), Male, Doctor. 引文格式：韩志勇, 张涛, 郭万森, 等. 服役环境对涡轮导向叶片热障涂层失效模式的影响[J]. 表面技术, 2023, 52(4): 261-271. HAN Zhi-yong, ZHANG Tao, GUO Wan-sen, et al. Effects of Service Environment on Failure Modes of Thermal Barrier Coatings on Turbine Guide Blades[J]. Surface Technology, 2023, 52(4): 261-271. 服役环境对涡轮导向叶片热障

涂层失效模式的影响

韩志勇，张涛，郭万森，王者，丁坤英

（中国民航大学天津市民用航空器适航与维修重点实验室，天津 300300）

热障涂层材料Mg2SiO4的制备与性能研究

摘要

镁橄榄石（Mg

2SiO

4）具有高温相稳定、较低的烧结速率和热导率、良好

的机械性能等优点，是一种有潜力的热障涂层（Thermal Barrier Coatings）新材

料。本论文以Mg

2SiO

4为研究对象，通过XRD、TG-DSC、EDS等表征方法系

统研究了其作为TBC材料的各项性能，通过APS技术制备了Mg

2SiO

4-TBCs，

研究了涂层的热循环性能、失效机制等。

采用高温固相反应法在1873 K下合成Mg

2SiO

4。Mg

2SiO

4具有良好的高温

相稳定性、低导热系数（1.8 W/m·K，1273 K）和较高的热膨胀系数（8.6×10−6

K-1~11.3×10−6 K−1，473 K~1623 K）。此外，还拥有良好的力学性能： Mg

2SiO4

的硬度值和断裂韧性分别为10 GPa和2.8MPa·m1/2。Mg

2SiO

4在高温下的抗烧

结性能优于先进热障涂层材料8YSZ、La

2Zr

2O

7和SrCeO

3等。在1573 K下，对

烧结后的Mg

2SiO

4和8YSZ陶瓷试样进行了水淬对比试验，结果表明，Mg

2SiO

4

的热循环寿命为16次，约为8YSZ寿命的两倍。

利用APS技术成功制备无成分偏析的Mg

2SiO

4-TBCs。在1273 K下，

Mg

2SiO

4涂层的热循环寿命达830次，具有良好的抗热震性能。较长热循环寿

命的主要原因是Mg

2SiO

4较好的断裂韧性、抗烧结性能以及高温暴露下

Mg

2SiO

4涂层的特殊组织演化，而涂层失效的主要原因是重结晶、热膨胀失配

以及TGO与Mg

2SiO

4化学反应层的形成和增厚。

采用APS技术制备了基于Mg

2SiO

4/8YSZ的双陶瓷层（DCL）热障涂层体

系的热障涂层。研究了三种TBCs在1373 K下的热循环性能，结果表明： DCL

涂层的寿命是单层Mg

2SiO

4涂层寿命的43倍。顶层Mg

2SiO

4陶瓷层具有良好

的烧结能力和较低的导热系数，底层YSZ陶瓷层起到很好的应力缓冲效果，能

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。分析了微结构、材料性能对热障涂层隔热性能

YSZ热障涂层的制备方法和性能评估

YSZ热障涂层的制备方法和性能评估 ----宋停云与您分享----

----宋停云与您分享---- YSZ热障涂层的制备方法和性能评估

YSZ热障涂层（YSZ TBC）是一种常用于热障涂层的材料，具有优秀的高温抗氧化和热隔离性能。本文将介绍YSZ热障涂层的制备方法和性能评估。

首先，YSZ热障涂层的制备方法包括热喷涂和物理气相沉积（Physical Vapor Deposition，PVD）两种主要技术。热喷涂是一种常见的制备方法，它通过将YSZ粉末加热熔融后喷射到基底表面形成涂层。热喷涂的优点是成本低、适用于大面积涂层，但涂层的结构相对粗糙。而PVD是一种高温蒸发或溅射沉积的方法，可以制备出更加致密和均匀的涂层，但设备成本较高。

接下来，YSZ热障涂层的性能评估主要包括抗热震性能、热导率和界面结合强度等指标。抗热震性能是评估涂层在高温循环条件下的稳定性，常用的测试方法有热震试验和热梯度试验。热导率是评估涂层的隔热性能，可以通过热导率测试仪进行测量。界面结合强度是评估涂层与基底之间的结合程度，常用的方法有剪切试验和拉伸试验。

----宋停云与您分享----

----宋停云与您分享---- 此外，YSZ热障涂层还需要进行微观结构和成分分析。扫描电子显微镜（Scanning Electron

Microscopy，SEM）可以观察涂层的表面形貌和孔隙结构，能够评估涂层的致密性和均匀性。X射线衍射（X-ray Diffraction，XRD）可以分析涂层的晶体结构和相组成，判断涂层中YSZ的晶相含量和结晶度。

综上所述，YSZ热障涂层的制备方法包括热喷涂和PVD，性能评估主要包括抗热震性能、热导率和界面结合强度等指标。此外，还需要进行微观结构和成分分析。通过对YSZ热障涂层的制备和性能评估，可以更好地了解其在高温环境下的应用性能，为进一步优化和改进涂层提供指导。

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。研究表明，YSZ材料具有优异的物理化学性能，包括：熔点高 (2700℃)、力学性能优异、化学相容性好、与合金基体的热膨胀系数匹配

热障涂层的发展历史

热障涂层（Thermal Barrier Coating，简称TBC）是一种应用于高温环境下的高科技涂层，能够有效地降低热量传导，提高材料的氧化和腐蚀抗性，保证发动机等高温设备的长期稳定工作。本文将按照时间顺序，对热障涂层的发展历史进行分类详细介绍。

1.近代前期：氧化铝涂层的诞生

早在20世纪，人们就开始探索热障涂层领域。1923年，美国科学家W.H. Walker发明了一种名为“火花喷射法（spark-spray method）”的氧化铝涂层技术，是热障涂层技术的开端。该技术仍在使用当中，但被认为不够成熟稳定，难以适应更高级的要求。

2.20世纪60年代-70年代：热障涂层发展迅猛

20世纪60年代末至70年代初，热障涂层的发展迅猛，进一步提高了温度极限，开始应用于航空航天以及军事行业。这时，金属涂层作为着重点开始发展，使用的主要材料包括贵金属铂、钯等。它们吸收热辐射和红外线，能够降低温度。这一时期，凸出的涂层得以通过精密喷涂来得到保障，并得到了广泛的应用。

3.20世纪70年代末：喷涂硅烷化合物的开发

20世纪70年代末，W.C. Holzwarth团队开发了基于硅化物的TBC涂层，推动了热障涂层技术的发展。这一阶段，人们提出了一种新型的三元复合涂层系统，这种涂层继承了金属涂层的优点，在情况下完全代替金属涂层。

4.20世纪90年代：对压电涂层的研究

20世纪90年代后期，人们开始研究对压电涂层，这是一种可以插入激励电场以在介质中产生应变的TBC。它们被应用于航空航天领域，有效地提高了航空发动机、航空轮毂等设备的运行循环寿命。

5.21世纪：高粘度陶瓷涂层的诞生

近年来，高粘度陶瓷涂层成为了热障涂层领域的热点之一。该技术在粘度与陶瓷组分上均有所创新，使其具有更强的耐热、耐氧化和耐机械损伤的能力，能够在温度较高的环境下有效降低传热。

总体来讲，热障涂层技术的发展历程从氧化铝涂层的最初阶段开始一步步演进，终至高粘度陶瓷涂层的应用。科技进步、机械设计的不断发展，推动着热障涂层的不断创新与前进。在保证设备稳定运行的同时，也为人们的生活带来了更多的舒适与便利。

镧镁六铝酸盐热障涂层的热循环性能研究

科技创新　２０１２￣６月（下）Ｉ科技创新与应用　

锎镁六铝酸盐热障涂层的热循环性能研究　

张彦飞　李芹　曹学强　

（Ｉ、中航工业哈尔滨东安发动机（集团）有限公司工艺研究所，黑龙江哈尔滨１５００６６　２、哈尔滨理工大学材料科学与工程学院，黑龙江哈　

尔滨１５００４０　３、中国科学院长春应用化学研究所稀土资源利用国家重点实验室，吉林长春１３００２２）　

摘要：随着航空工业的发展，涡轮发动机的燃气进口温度不断提高，而现有的高温合金和冷却技术已无法满足这种需求。为此，　

在高温合金表面使用热障涂层变得极为重要。目前广泛使用的热障涂层材料一质量百分数为６％～８％Ｙ　０　部分稳定的ＺｒＯ　（ＹＳＺ）　

的极限使用温度为１２００℃。为了进一步提高涡轮发动机的燃气进口温度，需开发性能优于ＹｓＺ的新型热障涂层材料。本文通过固　

相反应合成ＬａＭ【ｇＡｌ　０。，热障涂层新材料，用喷雾干燥的方法制备粉末，用等离子喷涂方法制备ＬａＭｇＡｌ　０　。热障涂层，通过热循　

环实验测试了涂层的热循环性能，并分析了涂层失效机理。研究结果表明ＬａＭｇＡ１ｌ１Ｏ　。热导率较低、抗烧结性能较好，热循环寿命　

比８ＹＳＺ的热循环寿命长得多，是一种非常有应用前景的热障涂层新材料。　

关键词：镧镁六铝酸盐；热障涂层；热循环；等离子喷涂　

燃气涡轮发动机已经广泛应用于飞机、舰艇、坦克、工程车辆和发　

电机组等。压气机的压缩比和涡轮前燃气进口温度是影响燃气轮机效　

率的两个主要因素。近几十年来涡轮进口温度提高异常迅速。２Ｏ世纪　

５０年代有冷却的涡轮进口温度最高为９３０￣Ｃ，２０世纪９０年代，Ｖ２５００　

发动机的进口温度超过１４００￣（２ｍ，现在推重比为１０一级的加力式涡扇　

发动机涡轮进口温度已达到１５７７～１６７７￣Ｃｒ￣。涡轮进口温度的提高意味　

着发动机热端部件将在更加恶劣的条件下工作。目前涡轮叶片使用的　

是以镍或钴为基础的耐热合金，如镍基耐热合金的熔点为１２３０～　

１５　１５￣Ｃ，最高工作温度只有１　１００＇Ｌ￣。仅使用高温合金已经满足不了高进　