热障涂层材料性能和失效机理研究进展
第卷第
期
年月
日
力学进展,
热障涂层材料性能和失效机理研究进展’马维潘文霞吴承康缩译中国科学院力学研究所北京
摘要热障涂层材料破坏由大尺度屈曲和层离机制产生而这些机制又是微裂纹形核、扩展及相互连通结果的
积累由于特殊制备工艺和使用环境材料性能涉及到许多特殊机制近半个世纪的研究人们对其性能有了充
分
认识综述近几年的研究结果内容包括热生长氧化现象及其热力学描述热生长应力与材料失效的联系材料
破坏机理与性能控制参数和材料微组织的联系微缺陷演化产生的材料屈曲和层离所需的能量释放率破坏准则
、
服役寿命预计模型和评价标准等
关键词热障涂层热生长氧低屈曲层离服役寿命微组织能量释放率
引言热障涂层材料系统
热障涂层材料系统,热障涂层材料系统由个材料基元构成图一般由具有一定厚度和耐久性的绝热陶瓷涂即陶瓷涂层、超合金基底、基底与涂层间含铝元素的层和承受机械载荷的合金基底组成陶瓷涂层的主过渡层,以及在陶瓷涂层与过渡层
要功能是在高温载荷下,形成沿涂层厚度的高温度梯之间形成的以氧化铝为主要物质成分的热生长氧化
度,减弱向基底的传热在热周期载荷环境下,涂层层仕,陶瓷涂层是隔热与基底间可以存在一定温度差,使合金基底工作温度材料过渡层上生成的热生长氧化层是过渡层中活降低,提高材料抗热疲劳损伤和蠕变失效的耐久性性物质与氧元素化学反应的产物,对基底起抗高温
因此,热障涂层材料逐渐应用在涡轮发动机的一些高氧化防护作用超合金基底主要承受机械载
荷在热
温零部件上【‘、“为进一步开发热障涂层材料在推循环载荷作用下,各材料基元间遵循动力学原理相互进器和发电厂涡轮机等装置上的应用潜力,在材料设作用,以动平衡方式控制整体材料的热力学性能和使计和制备中应充分考虑实际应用需求事实上,热障用寿命
涂层材料能否在工程中推广应用,并在未来材料科学热障涂层是陶瓷氧化物材料,有良好的绝热性迅猛发展时代迎接面临的新机遇和新挑战,取决于能和变形柔韧性研究表明固溶体忆部分稳
否建立一整套以实际需求为背景,对材料制备工艺和定氧化错陶瓷材料具有低热导
性
物理性能进行综合评价和分析的方法‘一‘这是未、和良好温度稳定性的特点,是目前沉积来设计寿命更长、工作气体温度更高、可靠性更好的热障涂层最通用的陶瓷材料陶瓷涂层的设计和制新型涂层材料的主要研究方向,是更深层次认识热障备必须考虑材料的应变韧性,目的是减轻热膨胀失涂层材料基本热力学性能的研究方法,也是本文综述配产生的瞬态层离现象采用不同工艺沉积的陶瓷的主要内容,】涂层可以具有不同微结构,获得良好的应变韧性电
收稿日期一一国家自然科学基金资助项目惠允版权缩译此文介
、。子束物理气相沉积一饰
工艺‘是从锭块上蒸发陶瓷氧化物
再沉积到预热工件表面上形成涂层控制工艺参数和沉积条件可使陶瓷涂层具有多尺度孔洞柱状晶微
结构这种微结构拥有良好应变韧性和较低热传导性、,图大气压等离子体喷涂
盯工艺‘一‘是一种低成本制备
方法控制工艺条件可使陶瓷涂层获得币状多层重叠式微结构涂层各个急冷薄片
间形
成孔洞和裂纹状的孔网同样可以使涂层获得足够的应变韧性和较低的热传导性图
热生长氧化层是影响热障涂层材料热力学性能和耐久性的关键因素。一。一根据热力学平衡
原理和材料动力学原理哪,充分考虑材料成分和元
素离子扩散规律设计的合金过渡层含有铝元素,见图高温环境下多孔介质氧化错陶瓷涂层是氧的良
导体氧通过陶瓷涂层向过渡层扩散,与过渡层中的铝元素在界面处形成一层这种物质具有氧
离子扩散率低和附着力强等特点可以明显改善材料抗氧化失效功能,起到对合金基底的防护作用当
整个材料系统从高温工作状态冷却到常温环境时,涂层与基底间的热膨胀失配现象在热生长氧化层中
生产大小为、的残余压应力一热生长氧化层增厚过程中其本身也产生应力降其值一般小于,但对材料性能的影响很明显热生长氧化层的厚度通常仅为、拼,其中积蓄的应变能密度可以相当高,足以诱发各种使材料破坏
和
失效的机制
低热导率高应变韧性性稳定的微结构构化学兼容性性
尺度变化化
。一
厚度尽可能小晶相组织均匀微缺陷可控控与过渡层结合强度高高
藏’过渡层“’守’丫
十
化学均匀性
含形成的主要元素尽可能少的层离良好蠕变和屈服性能
啄赢
夏司靡票雾
」
图热障涂层材料系统的组成基元与功能
瑟嘿赣
辫髯为从
拼
图电子束物理气相沉积工艺制备的热障涂层材料具有多尺度孔洞柱状晶微结构
图空气等离子体喷涂工艺制备的热障涂层材料具有币状
多层重叠式微结构司过渡层是热障涂层材料系统重要的组成基元
,
其化学成分和微组织决定了热生长氧化层的形成机制、成分和微结构从而确定了整体材料性能和耐久性此外,材料性能还与其蠕变和屈服特性有关低压等离子体喷涂
一盯工
艺常用来制备尽和固溶体乍或丫一两相
物质组成的镍钻铬铝忆过渡层守丫
物质相中有多种元素,添加低浓度忆元素可以改善热生长氧化层的结合强度。、采用电镀工艺
】
通
过扩散铂元素也能形成铂一氧化铝过渡层,其金相组
织是典型尽铂单相固溶体在高温环境下铝元素扩散到基底中在口晶粒晶界上形成丫相固溶体热生长氧化层与过渡层的界面是影响材料性能的一个关键因素向该界面扩散的砷元素和其它元素可以使其脆化并降低界面韧性、’材料在高温环境中砷元素从合金中向该界面扩散,过渡层的部分组成元素可以吸附大部分砷元素,从而削弱了界面的脆化现象例如,镍钻铬铝忆过渡层中添加忆元素的目的正是如此铂一氧化铝过渡层对砷元素扩散阻力较大,并不含吸收砷元素的物质,热周期环境下表现出比镍钻铬铝忆过渡层更好的耐久性【渡层的柱状晶的区域另一个是毗邻陶瓷涂层的等轴区域一降‘实验观察到镍钻铬铝忆涂层的等轴区域中含有纳米级铁和铬阳离子氧化物杂质铂一氧化铝过渡层的等轴区域由氧化错和氧化铝混合物组成用热力学相平衡图可以解释热生长氧化过程中各氧化物的相稳定性图是一卜材料系统的一个热力学相平衡图【,描述,,氧化物和一合金间的相平衡关系其中氧活性是纵坐标,铝活性和镍活性分别是横坐标铝活性与氧化性间的关系由铝活性系数粗确定,即,粗
‘
镍活性系数与镍、铝氧化性的关系由一方程确定
,即
‘,一式‘“,热生长氧化过程主要涉及个相平衡状态图其化学反应过程分别为与一合金间的相平衡状态线段
①
热生长氧化叮、
物理现象及热力学描述近几年的研究对生长氧化机理的本质有了新认识阳热生长氧化过程由热障涂层材料系统中
离
子
扩散机理所控制图层离破坏前热生长氧化层的
厚度基本上遵循抛物线规律,即
与一合金间的相平衡状态线段②叮与卜合金间的相平衡状态线段③
“称
叮
这里,,分别为氧化层厚度、扩散时间和扩散系
数一的形成和生长主要是通过阴离子沿物
质晶界扩散,扩散系数娜受阳离子扩散机制和温度
影响热生长氧化层的外延生长规律受氧化铝中阳离
子浓度影响口一物质存在时,相氧化铝物质首先形成然后转变成一罗“,】铝元素外延
生
长
机制表明相氧化铝的微组织是针形晶体刘,并在
相结构转化过程中维持不变随后一生长过程不受先前相结构转化影响镍钻铬铝忆过渡层上生成的热生长氧化层主要消耗过渡层中氧化忆
足
够大氧化忆块体融合到热生长氧化层中时,融合区厚度迅速增加并产生缺陷氧化忆与周围氧化铝反应还能形成忆一铝氧化物生长层陶瓷涂层使热生长氧化
层具有种微观组织明显不同区域一个是毗邻过一合金、和三相间的平衡状态线段①,②和④的交点叮叮和卜合金、和三相间的平衡状态线段①,②和⑤的交点叮叮如果镍和铝的活性在氧化过程中发生了变化,那么线段④和⑤表示的相平衡状态可以用和描述相平衡理论研究表明过渡层中铝活性大于一时,化学反应是主要相变机制这个热力学过程很有利于延长热障涂层材料的服役寿命当
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》
热障涂层金属粘结层制备与研究进展
热障涂层金属粘结层制备与研究进展目录1. 内容概述 (2)1.1 热障涂层概述 (2)1.2 金属粘结层的重要性 (4)1.3 研究进展概览 (5)2. 金属粘结层的材料组成与性质 (6)2.1 NiCrBSi系高温合金粘结层 (8)2.2 高温插图合金粘结层 (9)2.3 粘结层成分与性能的关系 (10)2.4 粘结层材料的热力学与力学评估 (11)3. 金属粘结层的制备与制备技术 (13)3.1 等离子喷涂法 (15)3.2 电弧喷涂法 (16)3.3 其他制备技术与方法 (17)3.4 制备工艺参数优化 (18)4. 金属粘结层的性能测试与评价 (20)4.1 高温力学性能测试 (21)4.2 高温抗氧化性测试 (23)4.3 高温疲劳与蠕变性测试 (24)4.4 界面层质量与完整性评价 (25)5. 热障涂层的实际应用及案例分析 (26)5.1 燃气轮机中的应用 (27)5.2 航空发动机中的应用 (29)5.3 核反应堆中的高温插层涂层 (29)6. 结论与展望 (31)6.1 研究现状与趋势 (32)6.2 未来的发展方向 (33)1. 内容概述随着航空发动机、燃气轮机和核反应堆等高技术领域的发展，热障涂层在提高发动机和核反应堆等设备散热性能、延长使用寿命和提高安全性方面发挥着越来越重要的作用。
热障涂层金属粘结层作为热障涂层的重要组成部分，其制备工艺和性能直接影响到热障涂层的整体性能。
研究和开发高性能的热障涂层金属粘结层制备技术具有重要的理论意义和实际应用价值。
本文档旨在对热障涂层金属粘结层的制备与研究进展进行全面梳理和总结，包括国内外相关研究现状、制备方法、性能测试和发展趋势等方面的内容。
通过对热障涂层金属粘结层的研究，可以为我国高技术领域的发展提供有力的理论支持和技术保障。
1.1 热障涂层概述热障涂层（Thermal Barrier Coatings, TBCs）是一类特殊的涂层材料，应用于高温环境中，如航空发动机、喷气发动机、燃气轮机和工业燃烧器的涡轮叶片等。
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。
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。
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。
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一、引言航空发动机是现代航空器的重要组成部分，其性能直接影响到飞机的安全和经济性。
涡轮叶片作为航空发动机的重要组件之一，承受着高温和高速气流的冲击，对其表面进行热障涂层的研究成为了发展的热点之一。
本文将综述航空发动机涡轮叶片热障涂层的研究现状，并对未来的研究方向进行展望。
二、背景在航空发动机中，高温气流是涡轮叶片面临的主要问题之一。
高温气流的冲击会导致涡轮叶片的热膨胀、氧化和烧蚀等问题，进而降低了发动机的性能和寿命。
为了解决这一问题，研究人员提出了热障涂层的概念。
三、热障涂层的种类热障涂层可以分为传统热障涂层和新型热障涂层两大类。
1. 传统热障涂层传统热障涂层主要包括YSZ (Yttria Stabilized Zirconia) 和 GCO (Gadolinium Cerium Oxide) 等。
YSZ涂层被广泛应用于航空发动机中，具有优异的热障效果和氧化屏障性能。
GCO涂层相比于YSZ涂层，具有更好的机械和热损伤修复能力，但研究相对较少。
2. 新型热障涂层新型热障涂层主要包括二氧化铝涂层、钨合金涂层等。
经过改良的二氧化铝涂层具有更好的耐腐蚀性能和较低的热导率，但是其热障效果相对较差。
钨合金涂层则具有更好的高温性能和耐烧蚀能力，但是涂层的结构和制备工艺仍面临挑战。
四、热障涂层的制备工艺热障涂层的制备工艺对涂层性能的影响至关重要。
目前，常见的热障涂层制备工艺包括物理气相沉积（Physical Vapor Deposition，PVD）、化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition，CVD）和高速火焰喷涂（High VelocityOxygen/Fuel，HVOF）等。
1. PVDPVD技术通过物理手段将材料从固态直接转变为气态，然后沉积到基底上。
PVD制备的热障涂层具有致密的结构、低孔隙率和较高的结合强度，但是制备成本较高。
2. CVDCVD技术是利用化学反应将气态前驱体沉积在基底上，形成热障涂层。
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。
热障涂层的制备及其失效的研究现状
收稿日期:2009206201; 修订日期:2009206225作者简介:邢亚哲(19762 ),陕西岐山人,讲师,博士.研究方向:材料表面强化及器件制造.Email:x ingyazhe@gm 热障涂层的制备及其失效的研究现状邢亚哲,郝建民(长安大学材料科学与工程学院,陕西西安710064)摘要:热障涂层作为航空发动机和燃气轮机高温部件的保护涂层,其抗高温失效能力直接决定了部件的工作效率和寿命。
回顾热障涂层的发展历史及研究现状,着重介绍了热障涂层的主要制备方法及其相应涂层的结构特征,综述了各类热障涂层失效的影响因素和失效机理。
关键词:热障涂层;电子束物理气相沉积;等离子喷涂;失效机理中图分类号:TG174.44 文献标识码:A 文章编号:100028365(2009)0720922204Re se a rc h Stat us in Fa bric at ion and Fa ilure of The rmal Barrie r Co atingsXING Ya 2zhe,HAO Jian 2min(School of Mater ials Science and Engineering,Chang p an University,Xi p an 710064,China)Abst ract:Thermal barrier coatings are widely used to protect the components in aircraft and industrial gas 2turbine engines against high temperature damage.The e ne rgy efficiency and lifetime of these components are mainly dominated by the failure resistance of thermal barrier coatings in the high te mperature atmosphere.In this paper,the development and research status of thermal barrie r coatings are reviewe d.Especially,the main fabricating methods and the microstructure fe ature of the coatings,as well as the factors re sulting in the failure of thermal barrier coatings and its failure mechanisms,are summarized in detail.K e y words:Thermal barrier coatings;Electron beam physical vapor deposition;Plasma Spraying;Fa ilure mechanism随着现代工业的发展,数以百计种类型的涂层被用在各种结构材料表面,以使这些材料表面免受腐蚀、磨损、侵蚀和高温氧化等危害。
等离子喷涂热障涂层多层结构的研究进展
１.２ 溶液前驱体等离子喷涂
基于 ＳＰＳꎬ 发 展 了 溶 液 前 驱 体 等 离 子 喷 涂 技 术
( ＳＰＰＳ) ꎬ前驱体溶液有 ２ 种:特殊的氢氧化物溶胶有机
ꎬ且
液 [２１] ꎬ前者的稳定性较高 [１２ꎬ２２] ꎮ ＳＰＰＳ 工艺具有如下
具有更高的应变容限和更好的抗热震性能
形成超音速等离子射流ꎬ可将原料熔融并汽化ꎬ是典型
ꎮ 探寻 ＳＰＳ 涂层结构的沉积机理有
变喷涂参数实现对涂层组织结构的可控沉积、大面积
生法向沉积ꎬ利于制备垂直裂纹结构ꎻ动能低的液滴ꎬ
粒径小于 ０.５ μｍꎬ悬浮液滴尺寸在 １ ~ ５ μｍ 时ꎬ有利于
形成柱状结构ຫໍສະໝຸດ [１８]助于把控涂层微观结构ꎬ进行可控工艺研究ꎻ虽然近年
的选择对涂层性能的影响极大ꎬ工艺有待持续优化改进ꎮ
Ｇａｎｖｉｒ 等 [１６] 、Ｖａｎｅｖｅｒｙ 等 [２７] 发现ꎬ动能高的液滴会产
１.３ 等离子喷涂 ￣ 物理气相沉积
受“ 阴影” 效应影响ꎬ易沉积在有凸起的部位ꎬ可用于制
热障涂层制备技术ꎮ 采用低压、大功率的等离子喷枪
备柱状晶结构涂层ꎮ 还有研究者指出ꎬ当粉末的平均
获得的涂层结构比较致密ꎬ 有利于形成 垂 直 裂 纹ꎻ 反
之ꎬ当采用小功率、大距离喷涂低浓度悬浮液时ꎬ获得
的涂层结构较为疏松ꎬ 有利于形成柱状晶结构 [１４ꎬ１５] ꎮ
ＳＰＰＳ 工艺可以在亚稳定溶液中保持高达 ２０％的氧化
用 ＳＰＰＳ 工艺获得高性能涂层ꎬ具有相当广阔的前景ꎮ
然而 ＳＰＰＳ 工艺较为复杂ꎬ沉积效率较低ꎬ尤其喷涂参数
ＳＰＳ ￣ ＴＢＣｓ涂层孔隙率明显更高ꎬ具有更低的热导率ꎬ且