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热障涂层的研究现状与发展趋势

来源期刊:中国有色金属学报2007年第1期

论文作者:刘纯波 林锋 蒋显亮

文章页码:1 - 1

关键词:ZrO2陶瓷;纳米结构涂层;热障涂层;热喷涂;失效机理

Key words:ZrO2 ceramic; nano-structured coating; thermal barrier coating; thermal spray; failure mechanism

摘    要:热障涂层是一类高温防护涂层,由于其应用的广泛性,已成为近年来涂层研究领域的热点之一。对热障涂层国内外的研究进展进行了综述,重点阐述热障涂层成分的选择、热障涂层的结构设计、热障涂层的制备工艺、热障涂层的失效机理、寿命预测以及热障涂层的发展趋势。

Abstract: Thermal barrier coating (TBC) is a kind of high temperature protection coating. Because of its wide application, it has attracted more and more interests in recent years. The research progress of thermal barrier coating worldwide was reviewed, covering TBC composition selection, structure design, coating forming techniques, failure mechanisms, life prediction as well as the future development of TBC.



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文章编号:1004-0609(2007)01-0001-13

热障涂层的研究现状与发展趋势

刘纯波1,林  锋2,蒋显亮1

(1. 中南大学 材料科学与工程学院,长沙 410083;

2. 北京矿冶研究总院 金属材料研究所,北京 100044)

摘 要:热障涂层是一类高温防护涂层,由于其应用的广泛性,已成为近年来涂层研究领域的热点之一。对热障涂层国内外的研究进展进行了综述,重点阐述热障涂层成分的选择、热障涂层的结构设计、热障涂层的制备工艺、热障涂层的失效机理、寿命预测以及热障涂层的发展趋势。

关键词:ZrO2陶瓷;纳米结构涂层;热障涂层;热喷涂;失效机理

中图分类号:TG174       文献标识码:A

Current state and future development of thermal barrier coating

LIU Chun-bo1, LIN Feng2, JIANG Xian-liang1

(1. School of Materials Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;

2. Institute of Metallic Materials, Beijing General Research Institute of Mining and Metallurgy, Beijing 100044, China)

Abstract: Thermal barrier coating (TBC) is a kind of high temperature protection coating. Because of its wide application, it has attracted more and more interests in recent years. The research progress of thermal barrier coating worldwide was reviewed, covering TBC composition selection, structure design, coating forming techniques, failure mechanisms, life prediction as well as the future development of TBC.

Key words:ZrO2 ceramic; nano-structured coating; thermal barrier coating; thermal spray; failure mechanism

                    

为了降低未来航天航空发动机的燃料消耗,提高推力/质量比和使用寿命,许多密度低、室温韧性  好、高温强度高的先进材料将被大量使用,各种功能涂层将得到广泛应用,其中热障涂层对提高发动机工作温度起着非常重要的作用[1]。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。迄今为止,等离子体喷涂氧化钇部分稳定的氧化锆由于具有较低的热导率和与高温合金基体接近的热膨胀系数而成为热障涂层的最佳材料,并已成功用于燃气发动机的燃烧室和涡轮机叶片。由于热障涂层具有降低金属基体的使用温度、保护基体免受高温氧化等许多优点,因此,随着科学技术的发 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的研究与应用。

本文作者重点阐述了热障涂层成分的选择、结构设计、制备工艺、失效机理、寿命预测以及热障涂层的发展趋势。

1 热障涂层发展历史

在过去的50多年时间里,燃气发动机零部件用材料和制备技术得到了很大的发展,从锻造合金发展到常规铸造合金,再从定向凝固合金发展到单晶材  料,材料的使用温度提高近300 ℃,接近金属使用极限温度。热障涂层对进一步提高合金材料的使用温度发挥着重要的作用,可以提高使用温度100~150 ℃ [2]。航空发动机中作为高温下服役的工程合金材料,不仅要有足够的高温强度,还要具有良好的抗高温氧化性能,实际上单靠合金本身很难同时满足这两个要求,多数情况下需要高温防护涂层,以合金本身满足力学性能要求,以表面涂层提高其抗高温氧化能力[3]

早在20世纪40年代就出现了航空发动机防护涂层的报道,经过几十年的研究,高温涂层材料的成分与结构等方面均有了巨大的改进。根据成分的选择、结构的优化,可以将高温涂层的发展经历简单地划分为以下几个时期:

第1代涂层,20世纪60年代研制成功了β-NiAl基铝化物涂层。但NiAl相脆性大、易开裂,Al原子向基体扩散快, 涂层使用寿命短。

第2代涂层,20世纪70年代出现了改进型铝化物涂层,如Al-Cr、Al-Si、Al-Ti、Pt-Al,其中以镀Pt渗Al形成的铂铝化物涂层具有更长的使用寿命而倍受欢迎,进而成为研究的热点,至今仍有相关报道。

以上两代涂层均属于扩散涂层, 这些涂层在航空发动机上得到了一定的应用[4-5]

第3代涂层,20世纪80年代发展了可以调整涂层成分,能在更高温度下起到高温抗氧化作用的等离子体喷涂MCrAlY涂层(M代表Fe、Co、Ni或二者的结合),被普遍地用作为TBC系统的金属粘结层。它克服了传统铝化物涂层与基体之间相互制约的弱 点,在抗高温氧化方面有显著的改善。

第4代涂层,20世纪80年代和90年代普遍研究使用的陶瓷热障涂层,比如6%-8%Y2O3部分稳定的ZrO2涂层,具有显著的隔热效果,显示了巨大的优势[6]

2  热障涂层材料

2.1  陶瓷表层材料

热障涂层的基本设计思想就是利用陶瓷的高耐热性、抗腐蚀性和低导热性, 实现对基体合金材料的保护。因此, 对适用于作为热障涂层的材料提出了以下一些要求[7]

1) 高熔点;

2) 低密度;

3) 较高的热反射率;

4) 良好的抗热冲击性能;

5) 较低的蒸汽压;

6) 较高的抗高温氧化及抗高温腐蚀的能力;

7) 较低的热导率;

8) 较高的热膨胀系数。

寻找更高性能的陶瓷涂层材料, 提高ZrO2系热障涂层的寿命极限, 一直是热障涂层研究中的一个重要方向。其中,在热障涂层中,热导率的研究一直以来受到研究者的高度重视,包括两个方面的内容:一是寻找更低热导率的涂层材料;二是在现有氧化锆陶瓷的基础上,寻找降低热导率的方法。低热导率热障涂层材料的选择原则如下[8]

1) 材料本身具有低的热导率;

2) 与铝在热力学上稳定,不发生化学变化;

3) 能产生和稳定一定比例的孔隙。

综合考虑上述的性能要求, 从以往研究的陶瓷材料来看,可能适用于高温热障涂层的陶瓷材料主要有氧化锆、氧化锆/氧化铝、氧化铝、氧化钇/氧化铈稳定的氧化锆、莫来石、锆酸镧、稀土氧化物、锆酸  锶、磷酸锆、硅酸锆、钛酸锆陶瓷等[7-10](见表1),其中氧化钇/氧化铈稳定的氧化锆整体性能为最好,仍是目前广泛应用的陶瓷热障涂层。

表1  可供热障涂层用陶瓷材料的优点和缺点

Table 1  Advantages and disadvantages of ceramic materials used as TBC

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