航空发动机叶片热障涂层技术AircraftEnginerTBCbenchmark精品文档21页

航空发动机热障涂层存在的问题及其发展方向一、热障涂层应用现状要想使航空发动机获得更大的推重比，就必须提高发动机涡轮前的进口温度，因此对航空发动机燃烧室、涡轮叶片等热端部件的抗高温能力的要求相应提高。

在基体合金表面涂覆热障涂层（Thermal Barrier Coating，TBC）是有效提升其抗高温能力的途径之一。

目前在涡轮发动机上获得实际应用的热障涂层均为双层结构：表层为陶瓷层，主要起隔热作用，此外还起抗腐蚀、冲刷和侵蚀的作用；内层为金属粘接层，主要起改善金属基体与陶瓷层之间的物理相容性，增强涂层抗高温氧化性能的作用。

航空发动机热障涂层迄今为止，应用最广、最成熟的热障涂层是以氧化钇（质量分数6% ～8% ）部分稳定氧化锆（ YSZ）陶瓷层为面层，MCrAlY合金层为粘接层的双层结构热障涂层体系。

YSZ具有低的热导率和相对较高的热膨胀系数，但是它在使用过程中存在如下问题：（1）当工作温度高于 1200 ℃时，随着烧结时间延长，YSZ 的孔隙率和微观裂纹数量逐步减少，从而导热系数上升，隔热效果下降。

（2）高温环境中，热障涂层的面层和粘接层之间会生成以含铝氧化物为主的热生长氧化物（TGO），同时金属粘接层会产生“贫铝带”，随着热循环次数的增加，贫铝带扩大，富 Ni、Co的尖晶石类氧化物在TGO 中形成，从而使TGO 内部产生较大的应力，最终诱发裂纹并导致陶瓷面层脱落。

（3）空气环境中或飞机跑道上的颗粒物进入燃烧室后，在高温作用下形成一种玻璃态沉积物CMAS（CaO，MgO，Al2O3，SiO2等硅酸铝盐物质的简称）。

CMAS 附着在发动机叶片上，在毛细管力的作用下沿着YSZ 涂层孔隙向深度方向渗透，随后CMAS与YSZ涂层中的Y2O3发生反应，加速YSZ相变，最终在热化学与热机械的相互作用下，导致YSZ 涂层内部产生裂纹。

（4）YSZ 陶瓷面层、金属粘接层、TGO 的热膨胀系数存在的差异会引起致YSZ陶瓷面层/TGO界面、TGO/金属粘接层界面上在从工作温度（上千摄氏度）降到室温的过程中产生应变失配，从而形成热失配应力，最终会导致YSZ 面层脱落。

高温涂层材料航空高温涂层材料在航空领域的应用摘要：随着航空工业的发展，高温涂层材料在航空领域扮演着重要的角色。

本文将介绍高温涂层材料的种类、特点以及在航空领域中的应用，包括高温涂层材料在发动机、涡轮叶片、燃烧室以及航空结构中的应用。

一、引言高温涂层材料是指能够在高温环境下保持稳定性和可靠性的材料，广泛应用于航空领域。

随着航空工业的不断发展，高温涂层材料在保护发动机、提高燃烧效率以及增强航空结构强度方面扮演着至关重要的角色。

二、高温涂层材料的种类1. 热障涂层（Thermal barrier coatings，TBC）热障涂层是一种能够减少高温对底材的热传导的涂层材料。

它通常由氧化铝、氧化锆、钇稳定氧化锆等陶瓷材料制成，在高温环境中能够提供很好的隔热效果，同时还具有优异的抗氧化性能和机械强度。

2. 刚性涂层（Ceramic matrix composite coatings，CMCC）刚性涂层是一种由陶瓷材料和金属基底材料构成的复合材料涂层。

它的特点是具有优异的热膨胀性能和抗温度梯度开裂能力，能够有效减少高温下的热应力，提高航空发动机的寿命。

三、高温涂层材料在航空发动机中的应用航空发动机是航空器的核心部件，对高温涂层材料的要求非常高。

高温涂层材料在航空发动机中的应用主要有以下几个方面：1. 发动机涡轮叶片保护高温涂层材料能够提供优异的隔热效果和抗氧化性能，能够有效保护发动机涡轮叶片免受高温燃烧气体的侵蚀，延长叶片的使用寿命。

2. 燃烧室保护燃烧室是航空发动机内部燃烧的地方，温度非常高。

高温涂层材料能够有效减少燃烧室内的热传导，保护燃烧室结构免受高温气流的腐蚀和热应力的破坏。

3. 发动机外壳保护发动机外壳是航空发动机的外部保护结构，承受着高温和高压等极端环境的作用。

高温涂层材料能够增强外壳的耐热性能和耐蚀性能，保护外壳免受高温气体和化学物质的侵蚀。

四、高温涂层材料在航空结构中的应用航空结构是航空器的骨架，负责保障航空器的强度和稳定性。

航空发动机组件的高温热防护技术航空发动机作为航空工业的重要组成部分，是保障飞机安全飞行的核心。

然而，随着航空技术的不断提升，航空发动机的温度也逐渐升高，因此高温热防护技术也被赋予了更加重要的意义。

本文将会探讨现代航空发动机组件的高温热防护技术，并展望未来可能的发展方向。

首先，为什么需要高温热防护技术？航空发动机在工作时会产生高温高压的环境，从而产生很高的热损失，导致机体温度飙升。

特别是高压涡轮部分，温度甚至可以达到 1100 摄氏度以上，极易引起高温热破坏。

因此，在发动机的设计和制造过程中，需要将材料的高温性能作为重要的考虑因素，并配备高温热防护技术，以保证发动机的正常运转。

其次，现代航空发动机组件的高温热防护技术有哪些？1. 材料选择航空材料的高温性能是保证高温热防护的基础。

现代航空发动机配备的诸如涡轮叶片、涡轮盘、燃烧室等组件，一般采用高温耐热合金，这些材料具有强的热稳定性和抗氧化性，并能够承受高温高压的环境。

在材料的设计和选用上，通过控制元素的含量和组成，可以优化材料的高温力学性能，提高耐蠕变性和延展性能，从而提高高温热防护能力。

2. 隔热涂层技术隔热涂层是现代航空发动机高温热防护技术的重要组成部分，通过涂覆陶瓷等热障涂层，可以降低组件的表面温度，减少热量的吸收和传导，防止高温热破坏。

隔热涂层还可以改善材料的热膨胀系数，较好地匹配了高温下的热应力问题。

常见的隔热涂层材料包括氧化铝、钙钛矿系列和氧化锆等，这些材料具有很强的高温耐热能力和较强的降低热传导的能力。

3. 冷却技术冷却技术是一种通过注入冷却空气进行热传递并降低表面温度的技术。

这是一种被广泛应用于现代航空发动机组件中的高温热防护技术，通过制造特定的通道、喷口和冷却器等结构，使得冷却空气可以直接冷却高温的部件表面，实现高温下稳定的热管理。

这种技术可以有效地提高发动机部件的热防护能力、延长维修周期和提高整机运行效率。

最后，未来发展方向在哪里？未来的发展方向应该在将上述技术不断完善，实现更高温的防护能力。

美国宾夕法尼亚州立大学的研究表明, 在电子 束蒸发沉积时, 另外附加一个离子束源, 可以进一步 提高涂层的密度及其与基体的结合强度。另外, 这种 高能离子辅助沉积还可以将涂层的内应力由拉应力 变为压应力, 从而可以控制多层涂层的应力状态。
高能离子束还可以用来在涂覆之前对真空室进 行清理, 从而提高涂层与基体间的结合强度。
(2) 延长了叶片的寿命 在其他条件不变的情 况 下, 厚 200Λm 的 热 障 涂 层 可 以 使 金 属 温 度 降 低 50℃, 使高压转子叶片前缘的蠕变疲劳寿命延长3倍 以上, 同时由于削去了局部的或瞬态的温度峰值, 从 而消除了大的热机械疲劳损伤。
(3) 减少了来自压气机的冷却气流量 200Λm 的热障涂层, 可以减少15% 的冷却气流, 从而节省 0. 4% 的耗油率。
电子束蒸发沉积法是70年代末由普 惠公司开 发的, 已在美国获广泛应用。独联体的巴顿焊接研究 所也是这种技术的一个重要开发中心, 生产了实验
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室用、试生产用及生产用的设施。在西欧, 国际涡轮2 巴 顿 公 司 ( 荷 兰) 从 独 联 体 引 进 了 此 项 工 艺, 英 国 Ch rom a lloy 公司有一台沉积陶瓷用的设备。
需要指出的是, 热障涂层系统会在高温使用过 程中因氧化、扩散以及陶瓷层结构变化而变化。因此 各组成部分的性能也会产生变化。
由于陶瓷层与中间层的界面是最薄弱的环节, 为此采用了多种方法来改善其结合强度, 如使中间 层的铝浓度沿涂层厚度方向具有梯度变化, 从而提 高抗氧化性, 铬的浓度也可以这样处理。另外, 还可 以在陶瓷层与中间层之间通过表面处理 A l2O 3 层或 在叶片合金基体上形成多种成分沿厚度作梯度性质 的变化, 而使最终形成的热障涂层系统中不存在金 属与陶瓷或金属与金属的界面。电子束物理气相沉 积通过沉积参数的变化以及成分的选择具有广泛的 潜力。巴顿焊接研究所的电子束技术国际中心的工 作表明, 该工艺可显著提高热障涂层的耐久性。这种 梯度热障涂层几年后可能会广泛应用。

Repair Technologies for Blades of Aero-engine Turbine
积炭质地坚硬，黏附力强，因此，清除积炭是一项 较困难的工作。长期以来，各国的航空发动机维修基地 都在致力研究高效和高可靠性的清洗液和清洗工艺，目 前已取得相当的成果。西安航空发动机公司在从英国引 进技术的基础上，研制出四种不同成分配方、不同清除 功用的清洗液和分步的清洗工艺，在某型发动机上使用 表明清洗效果良好。美国则推行无毒清洗技术，如用碱 性清洗液和塑料丸取代氯氟烃溶剂；而一些航空公司已 经采用在清理表面积附时间长、易于用水清洗不留残物 的凝胶工艺(SPOPL)。SNECMA公司在20世纪80年代开发了 氟化氢(HF)离子清理技术，后来被美国FAA及诸如GE公司 等发动机制造商广泛应用，这种方法特别适用于进行叶 片表面处理(如化学气相沉积)前的预先清理，而且不污 染环境。
Hale Waihona Puke Repair Technologies for Blades of Aero-engine Turbine
CT检测仪： CT检测仪：适用于测量涡轮叶片壁厚和内部裂纹 检测仪
Repair Technologies for Blades of Aero-engine Turbine
叶型的精确检测 叶型的精确检测 的精确 目前，在坐标测量机 (CMM)的基础上，编制微 机控制自动检测所用的应 用软件，发展研制了检测 涡轮叶片的叶身几何形状 的坐标测量系统(CMMS)， 可自动检测叶身的几何形 状，并与标准叶型比较； 自动给出偏差检测结果， 来判断叶片的可用度和所 需采用的修理手段。
Repair Technologies for Blades of Aero-engine Turbine

航空发动机涡轮叶片热障涂层研究现状【1】航空发动机涡轮叶片热障涂层研究现状【2】概述航空发动机是现代航空运输的核心组件，而涡轮叶片则是发动机中最重要的零部件之一。

涡轮叶片承受着高温高压的工作环境，需要具备优异的耐热性和耐腐蚀性能。

为了提高涡轮叶片的寿命和性能，热障涂层技术应运而生。

本文将对航空发动机涡轮叶片热障涂层的研究现状进行探讨。

【3】热障涂层的作用热障涂层技术是通过在涡轮叶片表面涂覆一层耐高温材料，形成热障层，以减少叶片表面的工作温度，提高叶片的耐热性能和抗氧化能力。

热障涂层能够有效减少涡轮叶片的热应力和热疲劳损伤，延长叶片的使用寿命，并提高发动机的工作效率和可靠性。

【4】热障涂层研究的发展历程热障涂层技术在航空领域的发展可以追溯到上世纪50年代，最初采用的是金属涂层。

然而，金属涂层存在着氧化、粘结力差等问题，限制了其应用。

随着陶瓷涂层材料的研究和发展，陶瓷涂层逐渐取代金属涂层成为主流。

目前，热障涂层的研究重点主要集中在材料性能的优化、工艺改进以及涂层与基底材料之间的耦合问题等方面。

【5】热障涂层材料的选择航空发动机涡轮叶片的热障涂层材料需要具备优异的耐高温性能、热膨胀系数匹配性和抗氧化能力。

目前常用的涂层材料主要有氧化铝、氧化锆和复合材料等。

不同的涂层材料具有各自的特点和优势，在应用中需要根据具体的工作环境和性能要求来选择合适的材料。

【6】研究热障涂层的关键技术热障涂层的研究涉及到材料制备、涂层工艺、热处理和性能评价等多个方面。

其中，材料制备的关键技术包括热喷涂和物理气相沉积等方法，涂层工艺的关键技术包括预处理、喷涂参数控制和后处理等。

涂层与基底材料之间的耦合问题也是热障涂层研究中的一个重要方向。

【7】热障涂层的性能评价热障涂层的性能评价主要包括热稳定性、热膨胀性、抗氧化性和机械性能等指标。

常用的测试方法有热循环试验、热膨胀系数测试、高温氧化试验和机械性能测试等。

通过对涂层性能的评价，可以为进一步改进和优化涂层设计提供参考和依据。

高温合金界面韧性下降两方面原因。 稳定的氧化锆（YSZ）材料的热障涂 增加（如图 3 所示）。
其中，面内压缩应力主要是由热障 层为例，当表面超过 1240℃时，沉
由于烧结程度的差异，微观应
涂层系统中各层材料热膨胀失配以 积会熔融并部分侵入“陶瓷毯”的 力和弹性模量沿着热障涂层厚度方
及 TGO 氧化生长引起的，而界面韧 微结构中，当表面上有足够的熔融 向存在变化。上述变化同样会改变
CMAS 沉积现象时有发生。对于 CMAS 玻璃和沉淀晶体充满“陶瓷毯”
损伤过程 ：起初，TGO 受到黏结层 固定翼飞机，CMAS 只是在特定的产 微结构中柱状晶之间的间隙，热障
和陶瓷层的约束 ；在保持与黏结层 生极高灰尘吞咽的航路中对发动机 涂层会失去压缩柔量。
和陶瓷层完全结合的同时，TGO 生 的寿命产生影响，而对于旋翼机发
生长的约束消失，其结果是后续的 更高的涂层热梯度），CMAS 损伤也 及随后的再沉淀，导致柱状晶微结
TGO 屈曲（皱化）进入蠕变强度较 须重点考虑。在低高度巡航的海军 构的损耗（如图 2 所示），还会增加
低的黏结层或者 TGO 断裂并侵入黏 型飞机发动机中，熔融硫酸盐沉积 热障涂层的腐蚀速率。
结层。
上，减少冷却空气用量，显著改善 另一失效模式为颗粒冲击引起的侵 的以 Al2O3 为主的 TGO 是影响热障涂 发动机性能。由于热障涂层对提高 蚀、挤压或外物损伤（FOD），主要 层寿命的主要损伤模式。TGO 引起
涡轮叶片综合服役性能有着得天独 出现在高压涡轮叶片的前缘部位 ； 的 EB-PVD 热 障 涂 层 失 效 机 理 分 为
性下降则是与热激活氧化铝区生长 CMAS 和硫酸盐时，将会一直侵入热 热障涂层的应变能释放率，从而影

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。

• 叶片振动的形式包括强迫振动、颤振、旋转失 速和随机振动。
• 航空发动机压气机叶片在工作中处于高离心负 荷状态，在振动作用下最易被破坏。
表面涂层技术在航空发动机中的具体 应用
减振措施
• 在叶片结构设计上采取加凸尖、减振环、阻尼块、 带冠叶片、宽弦叶片、加强肋、削尖等减振措施。
• 采用橡胶涂层,即将橡胶涂层涂于压气机叶片燕尾 槽底部,然后将叶片装入压气机盘的燕尾槽内。
表面涂层技术在航空发动机中的具体 应用
2.航空发动机表面涂层技术分类
热喷涂涂表层面涂在层技飞术在机航空发发动动机中机的具体中的应用示意图 应用
2.航空发动机表面涂层技术分类
• 保护涂层 • 封严密封涂层 • 橡胶涂层 • 热障涂层
表面涂层技术在航空发动机中的具体 应用
2.1保护涂层
主要保护部位
表面涂层技术在航空发动机中的具体 应用
双辉等离子表面合金化技术
双辉等离子渗金属技术的基 本原理: 在使工件和源极分别产生所 谓双层辉光放电现象。辉光 放电所产生的氩离子轰击， 使源极溅射出合金元素并飞 向工件，而工件经离子轰击 被加热到高温。合金元素借 助于轰击吸附和扩散而渗入 工件表面，从而形成含有欲 渗合金元素的合金层。
2.2密封封严涂层
封严涂层 为限制转子、静子之间的间隙, 不使气流泄漏,
在静子、转子叶片或封严蓖齿上涂覆软、硬涂层, 用磨损涂层的方法来保持封严。 密封涂层
有的静子叶片是插入静子内环的,二者的间隙 造成气流损失,这时可采用密封涂层封住,这要求密 封涂层耐温、抗振、柔软,长期不老化。 可磨耗封严涂层
抗磨、抗冲击涂层： 叶片榫头和盘榫槽之间涂的耐磨涂层 高压压气机叶片型面上的有机硅耐磨涂层 压气机叶片阻尼凸台上的叶片振动涂层 涡轮叶片防热盐涂层 涡轮叶片叶冠接触面硬质合金耐磨涂层

先进航空发动机热防护涂层一、研究背景燃烧室和高压涡轮：温度最高、压力最大发动机热端部件温度分布（Rolls-Royce 900发动机）一、研究背景随着推重比增加，发动机叶片表面工作温度不断升高，对叶片合金材料提出更高要求。

推重比10 12～15 1520涡轮前温度：1850～1950K 2000～2100K 21002200K叶片表面温度：＞1400K ＞1500K ＞1600K一、研究背景目前最先进的单晶高温合金的极限使用温度约为1150℃，低于高推重比航空发动机叶片要求的工作温度，而且已经接近高温合金的初熔温度。

高温材料的单一使用已经难以满足高推重⒍ 杆俜⒄固岢?的迫切要求一、研究背景防护涂密封涂层层热障涂层撞击涂层密封涂磨蚀涂层层防护涂磨蚀涂层层高温防护涂层技术是燃气涡轮发动机叶片技术中与高效冷却技术、高温结构材料技术并重的三大主要技术之一。

一、研究背景国外叶片试车前后的烧损状况海洋气氛腐蚀环境工作2500h后的叶片，左：无涂层，右：涂层一、研究背景高温合金材料的温度发展史高温防护涂层技术、高效冷却技术、高温结构材料技术并重为航空发动机涡轮叶片的三大关键技术。

热障涂层TBCs：耐高温、低导热、抗腐蚀的陶瓷材料以涂层的方式与合金相复合，降低高温环境下工件表面工作温度的一种高温热防护技术。

隔热效果50120 K 涂覆了热障涂层的涡轮工作叶片高温合金陶瓷隔热层粘结层热障涂层的作用显著提高发动机推力：高温合金能承受更高的使用环境温度，提高涡轮前进口温度。

工作温度提高14-15K，推力增加100kgf（总推力增加1-2％）。

降低热端部件温度：大幅度提高发动机寿命（表面温度每降低14K，相当于提高工件寿命1倍）和可靠性。

降低气体冷却量，降低耗油量，节省燃料。

提高了热端部件耐冲刷、耐氧化腐蚀的能力，在航空航天、兵器、船舶、能源等多领域都具有广泛的应用价值。

热障涂层的应用美、俄等先进战斗机民航机Boeing 747 大推力火箭大型军用运输机美国C-17 新一代跑车热障涂层的应用美国、俄罗斯等工业发达国家在先进战斗机、大型军用运输机、大型民机、地面燃机、舰载机等用发动机上采用了TBC技术，计划在所有航空发动机上采用TBC，TBC在航空航天、航海、能源、兵器等领域有着广泛的应用前景。

年第期??航空制造技术专题综述航空发动机的表面涂层技术 总参谋部陆航部株洲地区军事代表室彭秀云摘要结合实际应用对发动机上各主要部件所使用的涂层及其工艺与性能特点进行了描述并介绍了目前航空发动机涂层技术的分类和使用情随着航空况。

关键词表面涂层涂覆工艺航空发动机发动机技术不断发展和性能不断提高其工作温度也逐步升高目前先进发动机的压气机出口温度已达到℃燃烧室及加力燃烧室的工作温度接近℃涡轮进口温度达到℃。

但这些部位的零件所用的基体材料的性能和所能承受的温度有限不可能完全满足要求为了提高其寿命、可靠性和抗疲劳等性能使用各种涂层是一种有效方法。

航空发动机使用的涂层分类保护涂层。

抗磨、耐冲击等保护涂层可对管路、附件、叶片、机匣、帽罩等发动机构件起到改善工作条件、提高可靠性和延长使用寿命的作用。

如为提高冠状涡轮工作叶片叶冠接触面的耐磨性可在叶冠接触面上喷涂或硬质合金等耐磨材料。

封严与密封涂层。

为限制转子、静子之间的间隙不使气流泄漏在静子、转子叶片或封严蓖齿上涂覆软、硬涂层用磨损涂层的方法来保持封严。

橡胶涂层。

航空发动机压气机叶片在工作中处于高离心负荷状态在振动作用下最容易被破坏所以叶片的减振非常重要。

叶片振动的形式包括强迫振动、颤振、旋转失速和随机振动。

为保证发动机安全工作压气机叶片振动不能过大为此除了在叶片设计上采取加凸尖、减振环、阻尼块、带冠叶片、宽弦叶片、加强肋、削尖等减振措施外有的国外发动机正采用橡胶涂层即将橡胶涂层涂于压气机叶片燕尾槽底部然后将叶片装入压气盘的燕尾槽内。

橡胶涂层属于高弹性分子材料振动时可吸收能量有明显的阻尼作用其密封性好使用寿命长且容易更换便于维护。

热障涂层。

现代航空发动机的涡轮进口温度高达℃但第三代单晶材料只能承受℃的温度用复杂的气冷方式冷效也只有℃左右还有℃的差距只能靠发展热涂层技术来解决这一问题。

热障涂层在燃烧室中的应用已有多年历史近年来热障涂层已成为涡轮叶片设计和维护的关键技术之一如在 、、、、等涂层发动机的工作叶片和导向叶片上就应用了、、、等涂层材料。

热障涂层的研究与应用热障涂层（Thermal Barrier Coating，TBC）是一种应用广泛的高温结构表面涂层，具有优异的隔热性能和耐热性能，被广泛应用于航空航天、汽车、能源等领域。

本文将就热障涂层的研究现状、材料组成、制备工艺以及在不同领域的应用进行探讨。

一、研究现状热障涂层的研究始于20世纪60年代，随着材料科学和表面工程技术的不断发展，热障涂层的性能得到了显著提升。

目前，研究重点主要集中在提高热障涂层的隔热性能、耐热性能和耐氧化性能，以满足高温工况下材料的需求。

同时，研究人员还致力于开发新型热障涂层材料，提高其使用寿命和稳定性。

二、材料组成热障涂层通常由多层结构组成，包括热障层、粘结层和底层基材。

其中，热障层是热障涂层的核心部分，主要由氧化铝、氧化锆等陶瓷材料构成，具有良好的隔热性能和耐热性能。

粘结层用于连接热障层和基材，通常采用镍基合金等材料。

底层基材则是被涂覆热障涂层的金属基材，如钛合金、镍基合金等。

三、制备工艺热障涂层的制备工艺主要包括热喷涂法、物理气相沉积法（PVD）和化学气相沉积法（CVD）等。

热喷涂法是目前应用最为广泛的制备工艺，通过喷涂设备将预先制备好的涂层材料喷涂在基材表面，形成热障涂层。

PVD和CVD则是通过物理或化学方法在基材表面沉积涂层材料，制备出高质量的热障涂层。

四、应用领域热障涂层在航空航天领域被广泛应用于航空发动机、涡轮叶片等高温零部件，能够有效提高零部件的耐热性能和使用寿命。

在汽车领域，热障涂层被应用于汽车发动机缸体、排气管等部件，提高了发动机的燃烧效率和排放性能。

此外，热障涂层还被应用于能源领域的燃气轮机、燃烧器等设备，提高了设备的工作效率和稳定性。

综上所述，热障涂层作为一种重要的高温结构表面涂层，在各个领域都发挥着重要作用。

随着材料科学和表面工程技术的不断进步，热障涂层的性能将得到进一步提升，为高温工况下材料的应用提供更加可靠的保障。

良好的韧性和结合强度、抗氧化、 等离子喷涂、多弧离子
耐腐蚀
镀
涡轮叶片
压气机 / 涡轮叶片榫头和 榫槽、紧固件连接部位、摩
擦副结构
阻燃涂层 环境障碍涂
层
憎水涂层
阻止摩擦热的积累，有效延缓或阻止燃 燃烧热值低、抗氧化、导热性好、可 等离子喷涂、多弧离子
烧的进展
磨耗、摩擦系数低、较高的硬度
镀
阻止或减小发动机环境对高温结构材 料性能的影响
尾
隐身涂层
红外隐身、雷达隐身
吸收雷达波、热发射率低
等离子喷涂
尾喷管
表3 热障涂层制备技术对比
工艺
等离子喷涂
EB-PVD
沉积速度
高
适中
粗糙度
粗糙
光滑
缺陷
结构不均匀，往往产生微孔、非粘结界面、 晶粒间界、夹杂等缺陷
结构均匀、致密
结构
层状结构
柱状晶结构
冷却气孔影响 结合强度 寿命
冷却通道易堵塞 20~40MPa，机械结合，弱
涂层技术 COATING TECHNOLOGY
航空发动机涂层技术及应用
Surface Coating Technology and Application for Aeroengine
中航工业北京航空制造工程研究所 武洪臣 高 巍
在诸多涂层中，热障涂层结构最为复杂，并且在高温工 作环境中承担着重要角色。尤其是利用电子束作为热源的 热障涂层沉积技术，在航空航天领域得到了广泛应用并发 挥了巨大作用。
近几年，随着涡轮进口温度要求 越来越高，人们开始研发相稳定温度 更高的涂层材料与结构，烧绿石结构
2013 年第 9 期·航空制造技术 81
涂层技术 COATING TECHNOLOGY

综述：热障涂层技术摘要本文主要综述了近几十年来热障涂层的应用与发展，以及传统的热障涂层技术的制备方法和应用领域。

结合公司现有的热障涂层设备，研究如何优化生产工艺、如何避免高温氧化和腐蚀，同时如何增加零件使用寿命，提高工作效率，最后，对热障涂层(TBC)材料和结构的发展趋势进行了展望。

1.介绍热障涂层技术被认为是改善燃气轮机推进效率最重要和最有效的手段之一，主要是通过给燃气轮机的热端部零件表面形成一种隔离并允许在极高温度下稳定运行的涂层，这种涂层作为一种热屏障，不但需要承受高温、大温度梯度、复杂的应力条件，而且要阻止热量在材料中的扩散和零件的氧化，提高燃气轮机零件使用寿命，这是任何单一的涂层成分无法满足这么多的功能需要，需要多种涂层系统的集合[1]。

随着燃气轮机效率的一再提高，工作温度已经超出镍基合金的熔点，这是非常不利于材料的化学和热可靠性[2],因此，通过热障涂层提供热保护来保护燃气轮机后端部零件材料免受高温的影响将变得非常重要[3-4]。

传统的TBC是一层或多层涂层，包括粘结层和陶瓷面涂层。

粘结层通过在粘结层和面漆之间形成一层被称为热生长氧化物(TGO)的防御氧化层来保证抗氧化性，而面层是为镍基合金叶片提供热保护[5-6]。

McrAlY(M=Ni， Co 或两者)涂层主要是作为粘结层，这为外层和基体之间提供很大的热膨胀协调性[7]。

氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)是必不可少的面层材料，其展现出惊人的耐高温和超低的导热系数[8-9]。

TBC 的使用大大提高了燃气轮机在高温环境下的可工作性，它使得现有的机器能够在更高的温度下工作，这些温度远远高于各种零件和组件的熔点，从而提高发动机效率[10]。

采用空气等离子喷涂(APS)法在单晶镍高温合金表面进行氧化钇稳定氧化锆涂层。

该工艺不使用粘接层, 不需要加热基体材料。

2.热障涂层的发展历史在热障涂层的开发之前，我们必须了解热障涂层的发展历史。

其中物理气相沉积法自1980年(Aicro Temescal)发展以来，一直致力于燃气轮机热端部零部件的防护，火焰筒和燃烧室部件都是最初应用的部位，80年代中期EB-PVD技术向航空涡轮发动机的转子叶片和导向叶片上制备热障涂层方向发展(Pratt&Whitney, GE), 并且在同一时期前苏联成功地采用EB-PVD技术在转子叶片上制备出热障涂层，并将该涂层应用在军用飞机上[11]。

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与应用情况。

一、热障涂层的研究进展热障涂层的研究始于20世纪60年代，最初是为了解决航空发动机高温部件的热疲劳问题。

随着材料科学和涂层技术的发展，热障涂层的性能得到了显著提升。

目前，研究人员主要关注以下几个方面：1. 涂层材料的研发：热障涂层通常由两层组成，底层是粘结层，用于提供涂层与基材的附着力；顶层是热障层，用于隔热。

研究人员通过改变材料的成分和结构，提高涂层的热隔热性能和耐热性。

2. 涂层制备技术的改进：目前常用的涂层制备技术包括等离子喷涂、物理气相沉积和化学气相沉积等。

研究人员致力于改进涂层制备技术，提高涂层的致密性和附着力，以及减少制备过程中的缺陷和残余应力。

3. 涂层性能的评估方法：研究人员开发了一系列评估热障涂层性能的方法，包括热循环试验、热冲击试验、高温氧化试验等。

这些方法可以评估涂层的耐热性、热隔热性和抗氧化性能。

二、热障涂层的应用领域热障涂层在航空航天、能源和汽车等领域有着广泛的应用。

1. 航空航天领域：热障涂层被广泛应用于航空发动机的涡轮叶片、燃烧室和燃气涡轮等高温部件。

它可以提供高温隔热保护，延长部件的使用寿命，提高发动机的性能和可靠性。

2. 能源领域：热障涂层被应用于燃气轮机、燃煤锅炉和核电站等能源设备中。

它可以减少能源设备的热损失，提高能源利用效率，降低能源消耗。

3. 汽车领域：热障涂层被应用于汽车发动机的活塞、气缸盖和排气系统等部件。

它可以降低发动机的燃油消耗，提高汽车的动力性能和经济性。

三、热障涂层的未来发展趋势热障涂层的研究和应用仍然面临一些挑战，如涂层的耐热性、热隔热性和抗氧化性能的进一步提高，涂层制备技术的改进，以及涂层与基材之间的附着力等。

未来的发展趋势包括：1. 新材料的研发：研究人员将继续开发新的材料，如陶瓷基复合材料和金属基复合材料，以提高涂层的性能。

一些最近的趋势在研究和先进技术的热障涂层摘要：陶瓷热障热障涂层为大大提高航空发动机以及固定燃气涡轮机发电的效率提供了可能性。

在汽轮机内部零件冷却温度梯度可以实现100到150℃。

如今，最先进的涂层，通常由一个氧化钇稳定氧化锆表面涂层和金属粘结层沉积到一个高温合金的表面，主要用于延长使用寿命。

进一步提高涂层效率是不可或缺的，反过来,需要可靠的和可预测的TBC性能。

目前,电子束物理气相沉积法制备的涂层备受高性能应用的青睐。

本文强调的关键是研发高级的TBC系统，特别注重减少热导率和寿命预测的需要。

1.说明在工程组件中，高压涡轮叶片和航空叶片是最高度加载部分。

对于这些应用要求只有高温镍基高温合金可以考虑。

见图1所示，这些合金已经成熟,多年来一直从锻造到铸造,然后定向凝固合金,而在最新一代的涡轮机最苛刻的应用,如旋转涡轮机组件，需要采用单晶材料。

在今天的发动机,热气体的温度超过镍基合金的熔点250℃。

机翼在这种环境下可以存在的唯一途径是内部和外部冷却,然而,这样降低航空发动机的总热效率。

这样的极端条件下，金属峰值温度涡每增加10到15℃，轮机叶片蠕变寿命就会减半。

实际的金属表面温度约为1000℃时，其短期峰值温度高达1100℃。

很明显，合金的熔点限制着未来的发展。

然而,进一步提高下一代航空发动机的推力-体重比将需要更高的气体温度。

毫无疑问,这个伟大的目标只能通过使用不经济的大程度冷却，或从材料角度来着手—先进高温材料如新一代的镍基合金，首先,通过使用先进的涂料系统,特别是热障涂层。

本文着重介绍了热障涂层的现状,阐明了在该区域未来发展的方向。

2. 热障涂层热障涂层通常由一个双涂层系统组成，如图2所示。

实际的隔热涂层是顶部的陶瓷涂层，主要的功能减少金属基体的热量。

多年来，氧化钇部分稳定的氧化锆(YPSZ)一直是最佳选择,因为它的热导率比镍基高温合金低一个数量级。

此外,作为一个陶瓷,它也显示了一个相对较高的热膨胀系数,这接近金属基体的热膨胀系数，因为这个原因,在热循环过程中可以承受张力而不会立即剥落。

1代单晶高温合金，～1040℃ 无Re，已获得应用
➢ 显著提高发动机推力：高 温合金能够承受更高的使 用环境温度，提高涡轮前 进口温度。工作温度提高 14-15K，推力增加100kgf （总推力增加 1－2％）
➢ 降低热端部件温度：大幅 度提高发动机寿命（表面 温度每降低14K，二级导向叶片 ➢ Boeing 747
CF6-80一级工作叶片 ➢ A300/330 ➢ Boeing 747/767 ➢ F414
CF6-80二级导向叶片 ➢ A300/330 ➢ Boeing 747/767
CFM56-7一级导向叶片 ➢ Boeing 737系列
YSZ（Yttria Stabilized Zirconia）
低活性渗Al时，高温合金中的Ni向外扩散为主，和渗剂 中的Al形成β-NiAl相。 低活性渗Al一般在较高温度进行：980~1100℃ 优点：涂层向外延生长，受合金成分影响较小。 缺点：靠高温合金一侧产生Kirkendall孔洞，并且有固
体颗粒（如：氧化铝）进入涂层
包埋渗Al-高活性渗Al
高活性渗Al时，Al向内扩散，高温合金原始表面基本保 持不动。渗Al后多形成富Al相，如Ni2Al3等脆性相，需 要进一步进行热处理，形成β-NiAl相。 高活性渗Al一般在较低温度进行：700-800℃ 优点：涂层不会因为扩散不平衡而产生Kirkendall孔洞。
等离子喷涂热障涂层
电子束物理气相沉积热障涂层
热障涂层陶瓷层的主要制备方法
热喷涂（Thermal Spray）技术
热喷涂：材料经热源加热至熔化或半熔化态，用高压 气流令其雾化并喷射于工件上，形成涂层的一种表面 加工方法。
大气等离子喷涂：陶瓷层和粘结层 低压等离子喷涂：粘结层 HVOF喷涂：粘结层 爆炸喷涂：陶瓷层和粘结层