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热障涂层的研究进展随着现代工业的发展，高温材料的应用越来越广泛，如航空发动机、燃气涡轮等。
然而，高温环境下的材料容易发生氧化、腐蚀等问题，降低了材料的使用寿命和可靠性。
为了解决这一问题，人们引入了热障涂层技术，使其在高温工作环境中具有更优异的性能。
热障涂层是一种在金属表面涂覆陶瓷材料的技术，通过降低热通量的方式实现保护材料的目的。
它的特性包括良好的隔热性、抗氧化性、抗腐蚀性、抗磨损性等，使其广泛应用于航空航天、石油、化工、冶金等行业。
近年来，研究人员对热障涂层的性能进行了深入的研究和探讨，取得了不俗的成果。
热障涂层材料的研究热障涂层材料的性能主要取决于表面涂层的结构和材料的选择。
目前，常见的热障涂层材料包括氧化铝、氧化锆、氧化镁、二氧化硅等，其中以氧化铝涂层应用最为广泛。
研究人员通过对涂层材料的组织结构、化学成分等方面的研究，不断优化和提升热障涂层的性能。
例如，一些研究人员通过改变涂层中氧化铝和氧化锆的组成比例，制备了一种新型热障涂层材料。
实验结果表明，该涂层具有更好的耐热性能和耐磨性能，可以有效地提升高温材料的使用寿命。
另外，一些研究人员通过改变热障涂层中陶瓷颗粒的尺寸、形状等参数，探讨了不同参数对涂层性能的影响。
研究结果发现，涂层颗粒尺寸越大，涂层的热阻值越大；而颗粒形状则会对涂层磨损、断裂等性能产生影响。
热障涂层加工技术的研究由于热障涂层是一种高技术含量的涂层技术，其加工过程也十分关键。
研究人员对热障涂层加工技术进行了系统研究，探讨不同加工方法对涂层性能的影响，并提出了相应的改进方案。
例如，一些研究人员对热障涂层的喷涂工艺进行了优化，采用了高速火焰喷涂技术，实现了高效、节能的喷涂过程，同时提高了涂层质量和性能。
另外，研究人员还在热障涂层加工过程中引入了纳米材料，提高了涂层的性能和稳定性。
纳米材料具有较高的比表面积和活性，可以增加涂层的强度、硬度和耐磨性。
热障涂层应用领域的研究热障涂层技术的应用领域越来越广泛，涉及到航空、航天、汽车、船舶、石油、化工、冶金等多个领域。
热障涂层的研究与应用热障涂层（Thermal Barrier Coating，TBC）是一种能够提供高温隔热保护的表面涂层，广泛应用于航空航天、能源、汽车等领域。
本文将介绍热障涂层的研究进展和应用情况。
一、热障涂层的研究进展1. 热障涂层的组成热障涂层通常由两层组成：热障层和粘结层。
热障层主要由氧化锆、氧化钇等陶瓷材料构成，具有良好的隔热性能；粘结层则用于将热障层与基底材料牢固连接。
2. 热障涂层的制备方法目前常用的热障涂层制备方法有物理气相沉积（Physical Vapor Deposition，PVD）和热喷涂（Thermal Spray）两种。
PVD方法包括真空蒸发、磁控溅射等，可以制备出致密、均匀的热障涂层；热喷涂方法包括等离子喷涂、火焰喷涂等，适用于大面积涂层的制备。
3. 热障涂层的性能研究热障涂层的性能研究主要包括热障性能、力学性能和耐热性能等方面。
热障性能是指涂层对热流的隔离能力，可以通过热流测量仪器进行测试；力学性能是指涂层的抗剥离、抗磨损等能力，可以通过拉伸试验、摩擦磨损试验等进行评估；耐热性能是指涂层在高温环境下的稳定性，可以通过高温氧化试验等进行评价。
二、热障涂层的应用情况1. 航空航天领域热障涂层在航空航天领域的应用非常广泛。
例如，热障涂层可以应用于航空发动机的涡轮叶片上，提供高温隔热保护，延长叶片的使用寿命；热障涂层还可以应用于航天器的外壳上，减少外部热流对航天器的影响。
2. 能源领域热障涂层在能源领域的应用主要集中在燃气轮机和燃煤锅炉等设备上。
热障涂层可以提高燃气轮机的燃烧效率，减少能源损失；热障涂层还可以应用于燃煤锅炉的炉膛内壁，提高燃烧效率，减少污染物排放。
3. 汽车领域热障涂层在汽车领域的应用主要体现在发动机部件上。
热障涂层可以应用于汽车发动机的活塞、气缸盖等部件上，提高发动机的热效率，减少燃油消耗；热障涂层还可以应用于汽车排气系统的排气管道上，减少排气温度，降低噪音和排放。
热障涂层材料的研究与发展４１０厂张焰段绪海王世林杨秋生摘要热障涂层材料的研究与发展，始终受到人们极大的关注。
这不仅因为采用热障涂层结构，可以使航空发动机的气冷高温金属部件的温度降低５０－－－－２００℃，显著改善高温部件的耐久性，为航空工业的发展带来极大的便利，同时，这一研究在民用领域也存在着巨大的潜力。
目前，关于新型涂层材料及其制各工艺的研究工作还在进行。
本文针对热障涂层材料的研究与发展作了一些探讨。
关键词：热障涂层：ＺｒＯ：粉末；喷涂材料～、前言热障涂层的研究开始于５０年代初期，目的是为燃气轮机叶片及火箭发动机提供耐热、抗腐的防护。
６０年代开始应用于航空燃气轮机，但直到７０年代才获得突破性进展，试制成功了在高热通量条件下具有显著隔热作用的热障涂层（ＴＢＣ）。
热障涂层的典型结构是双层ＴＢＣ系统。
在金属基材与表面陶瓷涂层之间喷涂一层结合层。
因为陶瓷涂层与金属基材之间的结合性能较差，采用这种结构后，获得了非常满意的效果。
目前热障涂层主要应用于航空及工业燃气轮机燃烧室及加力燃烧室，并局部应用于燃气轮机的涡轮部分，并可望进一步应用于轮船柴油机、汽车发动机等方面。
热障涂层材料的研究与发展，始终受到人们极大的关注。
近年来，随着航空工业的飞速发展，对航空设备的性能要求越来越高。
现代航空涡轮发动机的发展趋势是大推力、高效率、低油耗和长寿命。
为了达到这些目标，主要措施是提高涡轮进口温度，减少发动机结构尺寸和重量。
航空发动机出现后近４０年间，涡轮进口温度平均每年约提高１５℃，而高温合金最高工作温度仅以平均每年１０＂（２左右的速度递增，目前已达到１０５０℃，相当于其熔点的７５％，进～步提高工作温度的潜力已十分有限。
为了满足涡轮进口温度不断提高的要求，在致力于进一步发展新型合金和冷却技术的同时，国际上正在积极发展高温热障涂层技术。
实验表明，应用这种技术可以允许提高燃烧室温度５０－２００。
Ｃ，如果在涡轮叶片上等离子喷涂二氧化锆涂层，则可以提高涡轮进口温度约８０。
高温热障涂层陶瓷层材料研究进展梁明德;于继平;张鑫;冀晓娟;沈婕;章德铭;任先京【期刊名称】《热喷涂技术》【年(卷),期】2013(005)002【摘要】热障涂层具有良好的隔热效果和抗高温氧化性能,应用于燃气轮机可以显著提高高温部件的使用温度和寿命.先进航空发动机的发展对热障涂层陶瓷面层材料的防护效果和使用寿命提出了更高的要求.本文综述了掺杂改性氧化锆、烧绿石结构稀土锆酸盐、六铝酸镧、石榴石结构化合物、钙钛矿几种不同新型高温热障涂层的陶瓷材料的研究进展,并在此基础上对热障涂层的发展方向进行了展望.【总页数】9页(P1-9)【作者】梁明德;于继平;张鑫;冀晓娟;沈婕;章德铭;任先京【作者单位】北京矿冶研究总院,北京100160;北京市工业部件表面强化与修复工程技术研究中心,北京102206;中航工业西安航空发动机(集团)有限公司研制中心,西安710021;北京矿冶研究总院,北京100160;北京市工业部件表面强化与修复工程技术研究中心,北京102206;北京矿冶研究总院,北京100160;北京市工业部件表面强化与修复工程技术研究中心,北京102206;北京矿冶研究总院,北京100160;北京市工业部件表面强化与修复工程技术研究中心,北京102206;北京矿冶研究总院,北京100160;北京市工业部件表面强化与修复工程技术研究中心,北京102206;北京矿冶研究总院,北京100160;北京市工业部件表面强化与修复工程技术研究中心,北京102206【正文语种】中文【中图分类】TG174.4【相关文献】1.热障涂层制备技术及陶瓷层材料的研究进展 [J], 魏绍斌;陆峰;何利民;许振华2.基于材料基因工程的超高温热障涂层研究 [J], 梁迎雪;冯晶;余威;周云轩;干梦迪;魏燕;张健康;陈永泰;叶波;种晓宇3.带热障涂层高温合金材料飞秒激光制孔工艺试验研究 [J], 温嵘;朱文宇;麻丁龙;马国庆4.氧化锆基双陶瓷层热障涂层表层材料研究进展 [J], 吴硕;赵远涛;李文戈;赵忠贤;刘未来;吴艳鹏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 [J], 于海鹏;冯燕;张红松因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
专利名称：一种制备梯度热障涂层的方法专利类型：发明专利
发明人：刘德健,唐峰,梅刚,张舒
申请号：CN201510035085.1
申请日：20150123
公开号：CN104630688A
公开日：
20150520
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开一种制备梯度热障涂层的方法，用于在金属表面制备梯度热障涂层。
采用热喷涂或者激光熔覆方法使40～80μm的陶瓷颗粒结合在金属基体表面，制备获得纳米陶瓷颗粒增强的热障涂层，所述纳米陶瓷颗粒均匀分散且粒径为100～500nm，所述40～80μm的陶瓷颗粒由初始纳米颗粒团聚获得，该陶瓷颗粒包括AlO颗粒、ZrO颗粒、稀土锆酸盐类颗粒，所述稀土锆酸盐类颗粒成分为AZrO，其中A为Ln、La、Gd、Nd的一种或多种。
本发明方法制备的梯度热障涂层隔热效果良好，且和金属基体结合牢固，解决了目前梯度热障涂层难以成功应用以及在热循环条件下容易脱落失效的问题。
申请人：华中科技大学
地址：430074 湖北省武汉市洪山区珞喻路1037号
国籍：CN
代理机构：华中科技大学专利中心
代理人：曹葆青
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陶瓷热障涂层的研究陶瓷热障涂层是一种新型的以陶瓷热障材料为基础的涂层结构，具有良好的耐热性和热收缩耐受性。
因此，已受到各种行业的广泛应用，如航空航天、船舶、核电、石油等行业。
在这些行业中，陶瓷热障涂层的研究和应用一直在不断发展，以提高热障性能。
首先，由于陶瓷热障涂层的热收缩耐受性良好，可以很好地帮助提高表面耐热性。
为此，该热障涂层上经常覆盖一层流体性能优良的耐热涂料，可以极大地改善其耐热性能。
此外，为了进一步提高热障涂层的耐热性，制备热障涂层时，也可以将有机材料、金属材料、复合材料和陶瓷材料混合使用，并在热障涂层的表面形成一层可分离的氧化物层。
这样可以最大限度地提高陶瓷热障涂层的耐热性能。
其次，在热障涂层制备时，也会将金属、复合材料、陶瓷材料等多种材料混合使用，以提高其力学性能、 recyclability和热性能。
为此，可以在陶瓷热障涂层中引入一定比例的多孔陶瓷增强材料，其可以在一定程度上提高涂层的抗压强度、裂纹扩展率等力学性能。
此外，该多孔陶瓷增强材料还具有很好的低热性能，可以有效降低涂层的热传导系数。
另外，由于陶瓷热障涂层的高热性能，在航空航天、船舶等行业中，还可以应用于现有的涂层结构中。
例如，在船舶行业中，可以利用陶瓷热障涂层来保护船舶活塞和锅炉，以防止过热而造成损坏。
此外，在航空航天行业中，也可以应用陶瓷热障涂层来保护飞机引擎，从而避免由于过热而导致爆炸。
总之，在航空航天、船舶、核电、石油等行业，陶瓷热障涂层的研究和应用一直在不断发展，旨在提高涂层的热障性能。
而提高涂层的热障性能，一方面可以通过覆盖一层优良的耐热涂料来提高表面耐热性，另一方面可以添加各种多孔陶瓷增强材料，以提高陶瓷热障涂层的耐热性能、力学性能和热性能。
另外，陶瓷热障涂层还可以应用于现有的涂层结构中，以防止因过热而造成损坏。
陶瓷热障涂层的发展不仅可以为各行业提供众多的热障材料，而且还可以提高技术的安全性，从而改善行业的效率和安全性。
2000年3月 沈阳工业学院学报 Vol.19No.1第19卷第1期 JO URN AL OF SHENY ANG IN STITU T E OF TECHNO LOGY M ar.2000文章编号:1003-1251(2000)01-0001-07激光制备陶瓷热障涂层的研究和发展张 罡1,梁 勇2(1.沈阳工业学院材料工程系,沈阳110015;2.中国科学院金属研究所) 摘 要:论述了激光制备陶瓷热障涂层的研究和发展状况.激光制备陶瓷热障涂层包括激光重熔和激光熔覆两种方法.激光重熔等离子喷涂热障涂层可获得等离子喷涂涂层所不具备的外延生长致密的柱状晶组织,提高涂层应变容限及热震性能.激光熔覆可获得自动分层的梯度热障涂层成分及柱状晶组织,改善涂层的高温氧化及热震性能.通过激光工艺参数的优化及涂层体系成分及性能的合理设计,可获得优于等离子喷涂,接近电子束物理气相沉积的热障涂层性能.关键词:热障涂层;激光重熔;激光熔覆;等离子喷涂中图分类号:TN249;TQ174.75+8.16 文献标识码:A随着航空燃气涡轮机向高流量比、高推重比、高涡轮进口温度方向发展,燃烧室的燃气温度和燃气压力不断提高,如军用发动机涡轮前温度已达1800℃,预计燃烧室温度将达到2000～2200℃.这样高的温度已超过现有高温合金的熔点,因此必须采用相应措施.除了改进冷却技术外,在高温合金热端部件表面制备热障涂层(TBCs)也是有效手段,它可达到170℃或更高的隔热效果,以满足高性能发动机降低温度梯度、热诱导应力和基体材料服役稳定的要求[1～2].热障涂层系统要求涂层不但有良好的隔热效果,而且抗高温氧化及热冲击.针对在腐蚀介质的特殊要求,还要满足高温耐蚀性能.实际应用的热障涂层制备方法主要是等离子喷涂(PS)和电子束-物理气相沉积(EB-PVD)两种方法[3～4].等离子喷涂方法主要包括空气等离子喷涂(APS)、真空等离子喷涂(V PS)、低压等离子喷涂(LPPS)等方法.沉积的陶瓷层需要相对粗糙的粘结层表面以得到良好的机械结合;应变容限靠陶瓷层中大量的气孔(气孔率可达20%)和微裂纹获得.抗氧化和热腐蚀性能由粘结层实现.EB-PV D方法在光洁的粘结层表面和正确的涂层涂覆温度条件下,可获得完整、致密的陶瓷层柱状晶组织,陶瓷层与粘结层通过涂层制备时产生热增长氧化层(TGO)以化学键形式连收稿日期:1999-11-25基金项目:国防科技重点实验室基金资助项目(ZK0601).作者简介:张罡,男,37岁,讲师,博士研究生.接.其独特的优点是:涂层厚度均匀性高,涂层表面粗糙度低,具备高交变应力下的长寿命,涂层制备后叶片上的冷却孔保持张开的原状.两种方法在成本与高温环境性能比上相互竞争,PS 方法具有经济、简单实用性,可获得相对略高的隔热效果,但应力容限和耐腐蚀性差;EB-PVD 方法可获得空气动力学特性和高温特性更好的涂层,但设备价格高,工艺复杂,效率降低.为解决PS 涂层高气孔率和裂纹引起的抗氧化性和涂层寿命降低的问题,激光制备TBCs 方法在激光表面重熔和激光熔覆两个不同的领域获得广泛的应用研究[5～14].激光重熔等离子喷涂热障涂层可获得等离子喷涂涂层所不具备的外延生长致密的柱状晶组织,改善结合强度,降低气孔率,提高涂层应变容限及热震性能.激光熔覆可获得自动分层的梯度热障涂层成分及柱状晶组织,改善涂层的高温氧化及热震性能.通过激光加工工艺参数的优化,可获得优于等离子喷涂,接近电子束物理气相沉积的热障涂层性能,并且激光制备方法更为简单,适应高效、大面积制备高性能热障涂层的未来需要.1 热障涂层设计1.1 涂层结构设计热障涂层结构主要为双层结构、多层结构和梯度结构,三种结构如图1所示.(a )双层结构 (b )多层结构 (c )梯度结构图1 三种结构示意图双层结构是目前实际应用在燃烧室及叶片上的热障涂层.由涂覆在高温合金基材上的顶层(To p coa t)和粘结层(Bo nd coat)构成.顶层以ZrO 2陶瓷为基,起隔热作用;粘结层为Mcr AlY (M :Ni ,Co 或Ni -Co ),起增加陶瓷层与基体的结合力、提高热膨胀系数匹配容限和抗氧化性作用.多层结构涂层抗氧化性较好,但热震性能改善不大,且工艺复杂,重复性、可靠性略差.梯度涂层化学成分、组织结构及力学性能是沿涂层厚度方向呈梯度连续变化.该结构提高了涂层与基体的粘结强度和涂层的内聚强度,具有理想涂层设计的高温性能,抗热震性能优于双层涂层,但制备技术复杂,仍处在设计实验研究阶段.2沈阳工业学院学报 2000年1.2 双层涂层成分设计1.2.1 顶层ZrO 2基陶瓷层热导率低、热膨胀系数与基材相近、高温稳定性好、具备一定的高温耐蚀性和耐磨粒磨损性,已获得广泛应用[15～16].纯净的ZrO 2有三种晶型:单斜晶(m )、四方晶(t)和立方晶(c),它们的相变温度分别为950～1250℃和2370℃,在2550～2600℃转变为液相.m 与t 型转变是可逆的,在冷却过程中,发生t 转变为m 相变的温度区间为600～950℃,相变时出现4%左右的体积膨胀,内部产生足够大的应力引起裂纹或断裂,必须加入立方晶相稳定剂,降低相变应力.可采用的稳定剂CaO 、MgO 、CeO 2、Y 2O 3等,在稳定立方相中形成介稳定t -ZrO 2相的研究、探索一直在进行.近年来Y 2O 3、Nd 2O 3、Sc 2O 3等部分稳定剂(PSZ)的研究发现:在快速冷却条件下,ZrO 2陶瓷层中可获得部分或全部“非转变”的四方相t ′,尽管仍为介稳相,但可在1100～1200℃高温循环条件下不分解为平衡t 和c 相.(6～8)%Y 2O 3-ZrO 2(YSZ )最为常用,在1100～1200℃下,t ′相不分解.CeO -Y 2O 3-ZrO 2中,t ′相的稳定性优于8%YSZ,但耐含V 、S 腐蚀介质燃气的抗腐蚀性较差.Sc 2O 3-Y 2O 3-ZrO 2(SYSZ)具有高温下(1400℃)更高的t ′相稳定性和抗热盐腐蚀能力.1.2.2 粘结层在双层结构中,基本以M Cr AlY 合金作为粘结层,一般在惰性气氛下,以PS 或EB-PV D 方法先于顶层制备[17～18].采用渗铝工艺在粘结层表面制备富铝表层,降低粘结层氧化速率可提高TBCs 寿命.在CoNiCr AlY 中添加Re(rhenium )可以显著改善涂层抗氧化性能和力学特性.2 激光-等离子复合制备TBCs 方法2.1 粘结层的激光处理粘结层的激光处理指的是喷涂陶瓷层前对等离子喷涂粘结层的激光重熔(Laser rem elting 或Laser g lazing )和激光修整(Laser co ntour)等方法[19].通过合理选择激光重熔工艺参数,激光重熔表面涂层可以调整涂层中Y 的分布和涂层的化学成分;形成细化重熔层组织,提高涂层的致密度、降低气孔率;提高涂层与基体的结合强度、达到冶金结合,从而改善涂层的抗氧化性能和耐蚀性能.激光修整涂层表面,即用YAG 激光在LPPS 制备的Co CrNiAlY 涂层表面加工深度小于涂层厚度、均匀分布的微孔和坡口(Gro ov es),改变陶瓷层层状沉积形态和应力分布形式,在未改变粘结强度的前提下,提高了TBCs 的热循环性能.2.2 陶瓷层的激光重熔处理80年代以来,大量研究表明:激光重熔陶瓷层可获得重熔层致密的柱状晶组织和网状的微裂纹,提高应变容限;致密、均匀的重熔组织及低的气孔率可降低粘结层的氧化率,阻止腐蚀3第1期 张 罡等:激光制备陶瓷热障涂层的研究和发展4沈阳工业学院学报 2000年介质的渗透;重熔层表面为一层薄的等轴晶组织,重熔层下未熔化的等离子喷涂陶瓷层热影响区组织为树枝晶;熔化层的相结构基本维持不变.因此TBCs的抗氧化性及耐热盐腐蚀性能得到改善,热循环寿命可提高2倍以上[5～12].对不同Y2O3含量的ZrO2/NiCrAlY双层等离子喷涂TBCs表面激光重熔试验研究结果表明:Y2O3含量为7.3%～20%的涂层,激光重熔后可提高寿命2～6倍,其TBCs退化机制为A型,属热应力控制形式;对Y2O3含量为6.1%的YSZ涂层,相结构主要为四方相,TBCs退化机制为V型,属氧化应力控制形式,激光重熔对其涂层热循环寿命没有明显改善.利用脉冲CO2激光高功率密度和短作用时间产生的高温度梯度和重熔组织的快速凝固,可以替代连续CO2激光重熔TBCs,获得薄而粗糙度低、具有网状裂纹的重熔层,但其中裂纹宽度和密度更低、表面缺陷更浅.通过选择合理激光加工工艺参数得到的涂层高温性能更好.在激光重熔过程中加入添加剂,如Al2O3,SiO2等,降低熔化层在冷却时的热应力,并塞积在孔隙和裂纹处,阻碍裂纹扩展,改善涂层断裂强度.激光重熔工艺参数的研究也是重点,激光功率、扫描速度、光斑直径都影响着激光重熔深度、重熔层形状、组织及缺陷,这些因素决定了涂层的寿命,通过优化连续及脉冲激光重熔工艺,可获得优质涂层.研究表明:激光功率提高,重熔深度增加,抗氧化性增加;但裂纹宽度、缺陷密度及尺寸也增加,引起涂层质量下降.因此,采用全部重熔陶瓷层是不可行的,部分重熔陶瓷层深度存在最佳范围,重熔深度较浅,仅存在对应变容限有利的横向裂纹.采用脉冲激光,当脉宽为20～40μs,单脉冲能量为40J时,可得到晶粒尺寸为50～150μm的细晶,裂纹宽度小于 1.3μm,并且降低了重熔层中的拉应力,改善了热循环特性和剥落抗力.功率密度、脉宽、扫描速度的匹配有待于进一步研究.激光二次重熔封闭一次重熔陶瓷层并配合添加氧化剂的试验表明:陶瓷层多次重熔在激光最高功率限定的熔深下,也具有应用研究价值.矩形光束具有均匀的能量空间分布和较大的光斑面积,对重熔搭接区域热影响小,有助于改善重熔层表面质量,如降低凹坑(Cra ter,Depressio n)、形成均匀的重熔层.3 激光熔覆制备TBCs方法3.1 激光一次熔覆TBCs激光一次熔覆TBCs属于新领域,近十年才有研究报导.主要有预置法和送粉法[13～14].预置法是将部分稳定的YPSZ与Ni基复合粉,预置在基材上,利用CO2激光熔覆,获得分层结构的复合涂层,表面为致密的ZrO2陶瓷层,之下为Ni基合金过渡层,ZrO陶瓷层的上部为等轴晶,中下部为柱状晶,主要由t′相组成.送粉法是将部分稳定的YPSZ与合金复合粉采用送粉装置,利用CO2激光熔覆在基材上.获得了自动分层的陶瓷层区域,均为柱状晶组织,且基本由t′相组成.3.2 激光二次熔覆陶瓷层对铝合金基体表面等离子喷涂陶瓷层后进行激光二次熔覆陶瓷,获得了表面光滑、连续、致密、无裂纹和孔隙等缺陷的陶瓷熔覆层,避免了激光重熔工艺无法解决的裂纹问题.陶瓷熔覆层的组织为柱状晶,其生长方向与基体垂直[20].激光熔覆方法提供了制备TBCs 的可行途径,但还处于初步研究阶段,高温性能试验为空白,熔覆工艺参数、涂层分层组织、成分、形貌、内外成型质量以及高温性能等对涂层寿命的影响有待于深入研究.4 热障涂层失效机理及控制服役中热障涂层的失效同热循环条件、氧化程度和陶瓷层/粘结层界面结合强度有关.失效的形式主要为陶瓷面层的剥落,发生在陶瓷层和粘结层界面附近[3～4].失效机理为:1)热膨胀系数不匹配产生的热(残余)应力;2)粘结层氧化产生的热增长氧化物(TGO)内应力;3)陶瓷层相变产生的相变应力;4)陶瓷层收缩产生的应力;5)熔盐腐蚀引起的损伤.考核涂层高温寿命的试验主要有热震性能试验、高温氧化试验和热盐腐蚀试验.陶瓷层抗剥落寿命与粘结层抗氧化性密切相关,当粘结层形成的氧化膜连续、致密、较薄和粘结层氧化产物以α-Al 2O 3(低扩散率,高热稳定性)为主,而非富Cr 、Ni 或尖晶石相时,粘结层抗氧化性好,陶瓷层抗剥落寿命长.PS 陶瓷层体积收缩和残余应力是产生陶瓷层裂纹的原因,一方面网状裂纹和气孔提高了应变容限,改善了热震性能;另一方面,又损害了陶瓷层力学性能、提供了内部连接通道,降低了粘结层抗氧化及抗高温腐蚀性能.在TGO 内应力随厚度增大和体积膨胀增加、粘结层塑性下降的内因和热膨胀不匹配在陶瓷层和TGO 界面产生热应力的外因共同作用下,陶瓷层T GO 界面形成裂纹并扩展,最终导致陶瓷层剥落.在激光重熔PS 陶瓷层中,致密、无气孔、低裂纹密度的表面层等轴晶组织起到了封闭作用,限制了粘结层的氧化速率和腐蚀介质的渗入,如配合添加氧化物、二次重熔,效果更好.在同样高温氧化条件下,TGO 厚度明显降低.重熔层的密堆柱状晶组织之间的横向微裂纹具有同EB-PV D 一样的高应变容限,使热震寿命比PS 显著提高.5 热障涂层研究方向及应用发展趋势热障涂层的研究是以发展高性能的梯度涂层和相关的制备技术为方向,激光复合制备方法具备良好研究潜力及应用前景.结合热物理性能、残余应力、相结构等测试技术发展,探索热障涂层失效机理也是未来研究方向.热障涂层自60年代由N ASA 开始研究以来,获得了快速发展.目前美国几乎所有的陆用和船用燃气轮机都采用了TBCs ,每年消耗300t 的ZrO 2材料.从60年代的发动机燃烧室到现在的涡轮叶片都已应用在航空航天领域,并由静子件扩大到转子叶片上.TBCs 制备从第一代隔热涂层(APS-7YPSZ /LPPS-NiCo Cr AlY)发展到第二代隔热涂层(EB -PV D -7YPSZ /LPPS -NiCo Cr AlY ),并将发展第三代低密度陶瓷隔热涂层.热障涂层降低高温合金服役温度达170℃,这恰好是40年来高温合金工作温度提高的水5第1期 张 罡等:激光制备陶瓷热障涂层的研究和发展6沈阳工业学院学报 2000年平,可见TBCs发展的重要性.随着TBCs向民用领域应用的拓展,TBCs的发展前景将更为广阔.参考文献:[1]傅恒志.未来航空发动机材料面临的挑战与发展趋向[J].航空材料学报,1999,18(4):52～61.[2]陈孟成,霍晓,高阳,等.高温涂层的研究和发展[J].材料工程,1999,6:40～45.[3]Tylor R,Brandon J R,M or roll P.M icros tructu re,composition and property relationsh ips of plasma-s prayed thermalbarrier coatings[J].Surface and Coating Tech nology,1992,50:141～149.[4]Rainhold E,Borom P,J ohns on C A.EB-p rehesting of turbin e blades the com pletion 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durability of PS TBCs by a facto r of tw o to six .Seg mented cracks occur red during laser gla zing and laser cladding hav e proven beneficia l fo r acco mmodating thermal stress and raising the tolerance to oxidatio n,w hich results in a higher durability than PS TBCs.Key words :therm al barrier coating (TBC);laser gla zing;laser cladding;plasma spray (PS)7第1期 张 罡等:激光制备陶瓷热障涂层的研究和发展。
