综述：热障涂层技术

任大为，李洋，庄大勇，张淼，张雷，刘杰

中船重工龙江广瀚燃气轮机有限公司 黑龙江省哈尔滨市，邮箱150000

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]。90年代中期，乌克兰Paton焊接研究所生产的低成本EB-PVD设备逐渐在美国和欧洲实现推广[12]。等离子喷涂(APS)技术自1970年发展以来，一直致力于材料表面的强化和改性的技术，可以使基体表面具有耐磨、耐蚀、耐高温氧化、电绝缘、隔热、防辐射、减磨和密封特性[13]。加拿大Mettech公司开发的Axial 三阴极轴向送粉等离子喷涂系统，是目前国际上获得成功商业应用的轴向送粉等离子喷涂设备。Sulzer Metco 公司的Multicoat 等离子喷涂系统将PC计算机和PLC的稳固性结合起来，其设备可以进行大气等离子喷涂、真空等离子喷涂和超音速火焰喷涂等[14]。我国从上个世纪70年代引进美国Metco公司生产的等离子喷涂装置，开始了对等离子喷涂技术的研究和应用，但是与国外的先进水平相比，还有较大的差距。目前北京航空制造工程研究所(625所)、武汉材料保护研究所、华南理工大学、北京矿冶研究总院、广州有色金属研究院和703研究所等机构都进行等离子喷涂设备的研究，填补我国在研制生产大功率等离子喷涂设备的空白。

3热障涂层的制备方法

热障涂层制备技术主要有物理气相沉积(EB-PVD),等离子喷涂(APS)、磁控溅射、离子镀、超音速火焰喷涂法(HVOF) 和激光熔敷方法，其中最常用的方法是电子束物理气相沉积和等离子喷涂。

3.1 电子束物理气相沉积

在物理气相沉积过程中，电子枪产生的聚焦高能电子束被引导熔化和蒸发铸锭，并在真空室中预热基材，其中的一支枪用于蒸发涂层材料，另一支枪用于预热基材以促进涂层粘附。在沉积的过程中，可以通过连续旋转零件来完成复杂零件(如涡轮叶片)的均匀涂层，物理气相沉积工艺为控制凝聚态材料的结构和组成变化提供了广泛的可能性。可以制造由不同组合物的交替层组成的涂层。物理气相沉积工艺生产的涂层通常具有良好的表面光洁度和均匀的微观结构。许多物理气相沉积涂层材料常应于微电子工业和重工业，航空航天和船用燃气轮机工业中。

3.2 等离子喷涂

等离子喷涂沉积的过程中，预合金粉末与载气一起通过高能量源喷射到基体表面，形成牢固的涂层表面，所有涂层材料都是以熔融或半熔融液滴的形式输送，并直接沉积到所述组件上，粒子需要被迅速加热，并以300米/秒的速度熔化后迅速撞击物体表面，在其表面处形成颗粒与基材的机械结合，等离子喷涂热源温度高，适用于高熔点材料的喷涂，射流速度大，等离子喷涂的优点在于不用加热基体，对基体影响小、喷涂工艺稳定、操作简单、花费少和热导率低，经常用于对于气动性要求不高的转子叶片或者燃烧室等零件的使用。

4热障涂层的发展趋势

随着燃气轮机效率的一再提高，燃气轮机后端部零件温度要求越高，所需要的涂层越厚，然而涂层厚度的增加最终会降低零件的热循环寿命。当厚度提高300um,热循环寿命降低20%。因此急需一种低导热系数、较高热膨胀系数和化学稳定性的新型材料来取代YSZ合金。未来EB-PVD涂层的发展方向是使用稀土和过渡金属氧化物掺杂方法来提高韧性、耐腐蚀性和抗冲击性能。将会有更多成份的热障涂层材料应用到燃气轮机后端部零件的防护上来，在未来热障涂层技术应用到汽车工业、陆基涡轮、金属加工业以及固体氧化物燃料电池领域仍将是一个感兴趣的话题。

作为国内小型船用燃气轮机的领先开发、供应商和维修和大修中心，为了保证燃气轮机后端部零件的平稳运行，我们付出了极大的努力，也在广泛应用中不断获得声誉和信心。

参考文献

[1] Huibin Xu, Hongbo Guo. Thermal barrier coatings[M]. Cambridge, 2011.

[2] R. Bü rgel and I. Kvernes, Thermal Barrier Coatings, High Temperature Alloys

for Gas Turbines and Other Applications, W. Betz et al., Eds., D. Reidel

Publishing Co., Dordrecht, 1986, p 327-356.

[3] E.C. Subbarao, Advances in Ceramics. Science and Technology of Zirconia, Vol.

3, A.H. Heuer and L.W. Hobbs, Eds., Columbus, OH, The American Ceramic

Society, 1981, p 1-24.

[4] R.A. Miller, Current status of thermal barrier coatings, Surf Coat. Technol. 30 (1)

1987, p 1–11.

[5] P. Hancock and M. Malik, et al., Coating Systems and Technologies for Gas

Turbine Applications. Materials for Advanced Power Engineering Part 1, D.

Coutsouradis et al., Eds., Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, 1994, p 685-

704．

[6] S. Stecura, Optimization of the Ni-Cr-Al-Y/ZrO2-Y2O3 Thermal Barrier System,

Adv. Ceram. Mater. 1 (1) (1986), p 68-76.

[7] S. Bose, J. DeMasi-Marcin. Thermal barrier coating experience in gas turbine engines at Pratt & Whitney[J]. Therm. Spray Technol, 1997(6), p 99-104.

[8] N.P. Padture. Advanced structural ceramics in aeropace propulsion, Nat. Mater. 2016(15), p 804-809.

[9] A.G. Evans, D.R. Mumm, J.W. Hutchinson, G.H. Meier, F.S. Pettit. Mechanisms controlling the durability of thermal barrier coatings[J]. Prog. Mater. Sci. 2001(46), p 505-553.

[10] R. Kumar, D. Cietek, C. Jiang, J. Roth, M. Gell, E.H. Jordan. Influence of microstructure on the durability of gadolinium zirconate thermal barrier coatings using APS & SPPS processes[J]. Surf. Coat. Technol. 2018(337), p 117–125.

[11] 钟颖虹. 燃气轮机透平叶片热障涂层的研究[M].2015.

[12] Huibin Xu, Hongbo Guo. Thermal barrier Coatings[M]. 2011.

[13] Liang Ying Lim. Modelling and Characterisation of the Thermomechanical Behaviour of Thermal Barrier Coatings[M]. Toronto, 2022.

[14] Jogender Singh, Farhat Quli, Douglas E. Wolfe, J. T. Schriempf, Jason Singh. An overview: Electron Beam-Physical Vapor Deposition Technology-Present and Future Applications[J].