PDF《热障涂层的研究现状与发展趋势》

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. 2.2 氧化锆的基本物理化学性质 氧化锆是一种耐高温的氧化物, 熔点是

2 680 ℃, 热导率是

14 W/(K?m), 线膨胀系数是 11*10?6 ~13* 10?6 K?1 ,弹性模量是

190 GPa.ZrO2 的晶型有

3 种,即单斜(m)、四方(t)和立方(c).常温条件下,稳 定相为单斜晶型;

高温条件下稳定相则为立方晶 型. 纯ZrO2的两个相转变温度为: 单斜ZrO2向四方ZrO2 可逆转变温度是