热障涂层研究进展_李学娇

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。

关键叙述热障涂层成份选择、热障涂层结构设计、热障涂层制备工艺、热障涂层失效机理、寿命估计以及热障涂层发展趋势。

研究背景伴随科学技术发展, 在航天、航空、燃气发电、化工、冶金等众多领域, 热障涂层将会得到更广泛研究与应用。

推重比10一级发动机叶片表面工作温度达成1170℃以上,现在最优异镍基高温合金单晶使用温度不超出1150℃,且已靠近其使用温度极限,单独使用高温结构材料技术已不能满足优异航空发动机快速发展迫切要求,采取热障涂层技术是现在大幅度提升航空发动机工作温度唯一切实可行方法。

所谓热障涂层是指由金属粘结层和陶瓷表面涂层组成涂层系统。

陶瓷层是借助于中间抗高温氧化作用合金粘结层而与基体连结。

这一中间过渡层降低了界面应力, 避免陶瓷层过早剥落热障涂层系统对高温部件起到关键保护功效有: 陶瓷涂层能够起到良好隔热降温效果, 同时能够有效保护金属材料免受高温气流冲蚀和腐蚀; 粘结层能够起到良好抗氧化作用, 其材料成份关键是MCrAlY, 高温下与氧气发生反应后生成致密氧化物(氧化铝）阻止了高温热气流对粘结层下耐高温金属材料深入氧化热障涂层(TBCs),可使高温燃气和工作基体金属部件之间产生很大温降(可达170℃或更高),达成延长热机零件寿命、提升热机热效率目粘结层金属结合层关键用于增强陶瓷涂层与基体结协力、提升热膨胀系数匹配,也为了提升基体抗氧化性。

现在,常见作结合层合金为MCrAlY,其。

M代表Fe、Co、Ni或二者结合, 但因为CoO、Fe2O3等在高温下易与ZrO2单斜相或立方相发生化学反应,所以,CoCrAlY和FeCrAlY不宜做热障涂层粘结底层。

发动机高温工作环境对热端部件关键有3种腐蚀(氧化)形式:高温氧化、高温热腐蚀、低温热腐蚀, 温度高于1000℃时以高温氧化为关键腐蚀形式。

因为NiCoCrAlY粘结层抗氧化、抗热腐蚀综合性能很好, 所以,飞机发动机叶片用热障涂层大多采取这种合金体系。

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。

镁基铝酸镧热障涂层材料的制备及热物理性能研究的开题报告一、研究背景和意义随着航空航天技术的不断发展，高温航空发动机的研究已成为摆在科学家和工程师们面前的一大难题。

热障涂层技术是目前解决高温航空发动机部件材料热稳定性的主要途径，它能够提高发动机的可靠性和寿命，降低燃料消耗和排放，具有广泛的应用前景。

镁基铝酸盐（MgAl2O4）作为一种优秀的热障涂层材料，具有良好的耐磨性、耐腐蚀性、高温稳定性和热膨胀系数匹配性等优异性能。

与传统的热障涂层材料相比，镁基铝酸盐还具有更低的热导率，能更好地防止热量向内部部件传递，保护内部部件不受高温腐蚀和裂纹的损伤。

本论文将研究镁基铝酸镧热障涂层材料的制备及热物理性能，并探讨其在航空发动机等高温环境下的应用。

二、研究内容和方法（一）研究内容本论文的主要研究内容包括：1.镁基铝酸镧热障涂层材料的制备工艺研究。

2.研究不同热处理工艺对镁基铝酸镧热障涂层材料性能的影响。

3.研究镁基铝酸镧热障涂层材料的热物理性能，如热导率、热膨胀系数、热稳定性等性能。

4.研究镁基铝酸镧热障涂层材料在高温环境下的应用性能，如耐热性、耐磨性、耐腐蚀性等性能。

（二）研究方法1.制备镁基铝酸镧热障涂层材料并对其热处理进行优化，探究制备工艺的最优化方案。

2.采用多种手段测试镁基铝酸镧热障涂层材料的物理和化学性能，如热导率测试、热膨胀系数测试、热稳定性测试、耐热性测试等。

3.通过单元试验等方法研究镁基铝酸镧热障涂层材料在高温环境下的性能表现。

三、研究进展和预期结果（一）研究进展在截至目前的研究中，已经成功制备出了镁基铝酸镧热障涂层材料，并对其热处理条件进行了优化。

同时，已对其热导率、热膨胀系数等性能进行了测试，初步探究了其在高温环境下的应用性能。

（二）预期结果本论文预期达成的主要结果包括：1.最优化的镁基铝酸镧热障涂层材料制备工艺。

2.探究不同热处理工艺对镁基铝酸镧热障涂层材料性能的影响。

3.详细研究镁基铝酸镧热障涂层材料的热物理性能，如热导率、热膨胀系数、热稳定性等性能。

热障涂层的制备工艺及研究进展杨宏波;刘朝辉;丁逸栋;罗火东;余文威【摘要】The technologies for preparation of thermal barrier coatings (TBCs) were reviewed,including plasma spraying (PS),electron beam physical vapor deposition (EB-PVD),flame spraying,electric arc spraying,laser induction hybrid rapid cladding,self-propagating high temperature synthesis (SHS) and suspension plasma spraying (SPS).Their research progress were introduced from the aspect of ceramic top layer and metal bonding layer.The future research directions of new generation ultra-high temperature TBCs was forecasted.%综述了等离子喷涂(PS)、电子束物理气相沉积(EB-PVD)、火焰喷涂、电弧喷涂、激光熔覆、自蔓延高温合成(SHS)、悬浮等离子喷涂(SPS)等制备热障涂层(TBCs)的工艺,介绍了陶瓷面层和金属黏结层这2个方面的研究进展.展望了新一代超高温热障涂层的研究方向.【期刊名称】《电镀与涂饰》【年(卷),期】2017(036)014【总页数】6页(P786-791)【关键词】热障涂层;陶瓷层;金属黏结层;制备;综述【作者】杨宏波;刘朝辉;丁逸栋;罗火东;余文威【作者单位】中国人民解放军后勤工程学院化学与材料工程系,重庆401311;中国人民解放军后勤工程学院化学与材料工程系,重庆401311;中国人民解放军后勤工程学院化学与材料工程系,重庆401311;73501部队,福建漳州 363400;73501部队,福建漳州 363400【正文语种】中文【中图分类】TG174随着现代科学技术的迅猛发展和施工工艺不断改进，很多部件对材料的高温工作性能提出了更高的要求。

Thermal Barrier Coatings for Gas-TurbineEngine ApplicationsScience 296, 280 (2002);DOI: 10.1126/science.1068609Nitin 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。

热障涂层CMAS腐蚀失效机制研究进展
高栋;刘燚栋;张国栋;黄爱华
【期刊名称】《装备环境工程》
【年(卷),期】2024(21)5
【摘要】随着航空发动机效率的持续提高,其涡轮前温度不断攀升,CMAS腐蚀失效已成为制约热端部件热障涂层可靠性和耐久性的关键问题之一。

基于此,首先简要分析了航空发动机CMAS的来源,然后从热力学、热化学和热物理3个维度,深入分析了热障涂层的CMAS腐蚀机制,阐述了上述3种模型下涂层与CMAS的作用机理。

在此基础上,提炼形成了热障涂层CMAS腐蚀的基本过程。

针对CMAS化学成分和涂层成分、涂层组织结构等影响热障涂层CMAS腐蚀行为的主要因素进行了探讨,进一步基于国内外提升涂层抗CMAS腐蚀能力的研究进展,归纳形成了5种技术途径。

最后,从支撑航空发动机的研制需求的角度,分析了当前抗CMAS涂层工程化应用研究中存在的主要问题,明确了抗CMAS涂层研制的工作重点。

【总页数】15页(P88-102)
【作者】高栋;刘燚栋;张国栋;黄爱华
【作者单位】中国航发商用航空发动机有限责任公司
【正文语种】中文
【中图分类】TG174
【相关文献】
1.等离子喷涂-物理气相沉积7YSZ热障涂层沉积机理及其CMAS腐蚀失效机制
2.镀铝改性对PS-PVD 7YSZ热障涂层抗CMAS腐蚀影响机制
2Ce2O7/YSZ热障涂层抗CMAS腐蚀及机制研究
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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。

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；热喷涂方法则包括等离子喷涂、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阻挡能力，可以通过热流测量仪等设备进行测试；力学性能则包括涂层的硬度、粘结强度等指标；耐热性能则是指涂层在高温环境下的稳定性和寿命。

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，喷气发动机的燃烧室和涡轮叶片等部件常采用热障涂层进行保护，以提高其耐高温性能和寿命。

此外，航天器的外壳也可以采用热障涂层来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体现在燃气轮机和燃煤锅炉等设备上。

燃气轮机的燃烧室和涡轮叶片等部件需要具备良好的耐高温性能，热障涂层可以提供有效的隔热保护。

燃煤锅炉的炉膛内壁也可以采用热障涂层来提高燃烧效率和减少烟气排放。

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和排气系统等部件上。

发动机的活塞、气缸盖等部件需要具备良好的耐高温性能，热障涂层可以提供有效的隔热保护。

排气系统的排气管和涡轮增压器等部件也可以采用热障涂层来提高热效率和减少能量损失。