热障涂层材料综述

潘怡静

江西科技师范大学材料与机电学院江西省南昌市330013

摘要：先进热障涂层（TBC）技术因能使燃气轮机未来在更高的环境温度下运行而受到越来越多的学者关注。本文先从TBC结构、有望替代YSZ的新型材料、TBC涂层制备技术等方面做了简单介绍，最后对最常见的TBC涂层失效原因之一—热生长氧化物（TGO）过厚导致热膨胀系数不匹配进行了分析。

关键词：热障涂层材料；YSZ；制备技术；失效机理

1 前言

热障涂层（TBC）作为一种先进的隔热技术被用于多领域，包括发动机的燃气涡轮叶片、热化学后处理装置等。因涡轮叶片能将热量高效地转化成机械能，其工作质量往往取决于进气温度和运行时能量损耗，运行环境所带来的微观结构变化决定了其使用寿命和适用范围。通过延缓部件的退化速度和程度，能提高燃气轮机或发电机组的运行效率，使涡轮叶片能在1425K高温下运行，TBC的应用保持了涂层表面与金属基底表面之间的热梯度，从而提高了操作温度范围和效率[1]。因此，涂层的性能对提高基材寿命起着至关重要的作用。TBC的应用除了能防止热冲击外还能提高基材在复杂环境下的抗腐蚀能力和耐磨性能。

2 热障涂层结构

TBC体系通常由金属基底、金属粘结层和陶瓷面层组成[2]。金属粘结层能减缓陶瓷涂层和金属基底热膨胀系数不匹配和抗氧化等作用。陶瓷面层作为绝缘体，它不仅能降低热传导防止基底被高温熔化，还能有效降低基底高温熔盐腐蚀等。

2.1 金属基底

金属基底一般采用高温合金材料，通常由Ni、Fe、Co等元素组成，它们能组合成不同合金元素的单晶结构，增加了特定的机械和表面性能，使得其成为具有抗氧化、耐高温、高强度的优秀合金材料。

2.2 金属粘结层

一般选用NiCrAlY或NiCoCrAlY作为粘结层材料，其厚度通常在70~100μm左右，常使用等离子喷涂技术、电子束技术或物理气相沉积技术制备相应涂层。

2.3 陶瓷面层

TBC根据结构可分为单层涂层、双层涂层和功能梯度涂层，其中陶瓷面层是最重要的组成部分之一[3,4]。陶瓷通常具有很高的熔点，可使用等离子喷涂技术进行沉积。常用的陶瓷材料有7~8wt.%Y2O3稳定的ZrO2（YSZ），烧绿石结构化合物（如La2Zr2O7），磁铅石结构稀土六铝酸盐（如LaMgAl11O19）和钙钛矿结构化合物（如SrZrO3）。

3 涂层制备技术

3.1 热喷涂技术

3.1.1火焰喷涂

火焰喷涂是利用燃料气体（如乙炔、丙烷等）燃烧产生的热能，将轴向输入的粉末熔化成熔融液滴，随后液滴被压缩空气雾化并以较高的动能撞击到基底表面形成涂层，其中粉末大多呈均匀的球状，便于喷涂时粉末的流动。

3.1.2等离子喷涂

大气等离子喷涂是一种使用广泛且能适用于喷涂不同类型的涂层沉积技术。涂层材料以粉末的形式注入等离子体射流，并使用载气测量流量。粉末颗粒在等离子体射流中被加热并熔化成熔滴，然后液滴以高速加速撞击基材并粘附在表面形成涂层[5]。

3.2电子束物理气相沉积

电子束物理气相沉积方法的沉积过程是基于电子枪内建立在2273 K高温下的电子束的作用，该电子束的作用与高电压支持的热电子加速度一致。该设备包括一个目标材料，随后被高速电子击中。由于电子产生的能量，目标材料被熔化，之后材料转化为蒸汽并沉积在基材表面作为涂层。与其他涂层技术相比，该技术的突出优点是沉积速度快。特定材料的参数可以更容易地管理，沉积表面也可以得到控制。

4热生长氧化物

涂层的分层损坏使基底表面裸露，最终导致结构破坏。分析涂层在有或没有熔盐存在的恶劣环境下的性能，可避免组件过早失效，了解其降解机理对延长涂层和结构构件的使用寿命具有重要意义。热组件在含氧烟道气存在的情况下运行，这种烟气将金属涂层转化为金属氧化物（称为热生长氧化物（TGO））[6]。TBC的主要降解模式之一是粘结层的氧化导致TGO形成，TGO起到扩散屏障的作用，阻碍氧化物质渗透，但由于热膨胀系数失配引起的应力及其过厚（TGO极限厚度为~10 μm）会导致涂层提前失效。

5 结论

本文综述了近年来研究较为热门的TBC材料及涂层技术，并对TGO导致涂层失效进行了分析。对于新型TBC材料来说，还有很多不足之处，深入研究新材料的性能有望探明其在热防护领域的优势，对TBC应用做出贡献。

参考文献

[1]Harsha S, Dwivedi D K, Agrawal A. Influence of WC addition in Co–Cr–W–Ni–C flame sprayed coatings on microstructure, microhardness and wear behaviour[J]. Surface and Coatings Technology, 2007, 201(12): 5766-5775.

[2]Walker M. Microstructure and bonding mechanisms in cold spray coatings[J]. Materials Science and Technology, 2018, 34(17): 2057-2077.

[3]Mauer G, Sebold D, Vaßen R, et al. Improving atmospheric plasma spraying of zirconate thermal barrier coatings based on particle diagnostics[J]. Journal of thermal spray technology, 2012, 21(3): 363-371.

[4]Vaßen R, Bakan E, Mack D, et al. Performance of YSZ and Gd2Zr2O7/YSZ double layer thermal barrier coatings in burner rig tests[J]. Journal of the European Ceramic Society, 2020, 40(2): 480-490.

[5]Li Y, Meng X, Chen Q, et al. Electronic structure and thermal properties of Sm3+‐doped La2Zr2O7: First‐principles calculations and experimental study[J]. Journal of the American Ceramic Society, 2021, 104(3): 1475-1488.

[6]Pokluda J, Kianicová M. Damage and performance assessment of protective coatings on turbine blades[J]. Gas Turbines, 2010, 2010: 283-304.

作者介绍：潘怡静出生年月：1997.03 性别：女民族：汉族籍贯：四川广元工作单位：江西科技师范大学材料与机电学院所在省市及邮编：江西省南昌市，330013职称：无学历：研究生学位：理学研究方向：热障涂层材料