本文摘要：摘要：熱障涂層(ThermalBarrierCoatings,TBCs)是用于航空發動機及燃氣輪機的一種高效功能性隔熱涂層，常用材料為氧化釔(質量分數6%～8%)部分穩定氧化鋯(YSZ)。本文首先從TGO生長、高溫燒結、CMAS腐蝕、鹽霧腐蝕和熱膨脹失配等方面介紹了YSZ的失效機理，以上
摘要：熱障涂層(ThermalBarrierCoatings,TBCs)是用于航空發動機及燃氣輪機的一種高效功能性隔熱涂層，常用材料為氧化釔(質量分數6%～8%)部分穩定氧化鋯(YSZ)。本文首先從TGO生長、高溫燒結、CMAS腐蝕、鹽霧腐蝕和熱膨脹失配等方面介紹了YSZ的失效機理，以上因素會從不同程度上造成涂層分層、開裂乃至失效。其次介紹了通過控制界面反應速度和元素擴散速度、改變涂層化學成分及結構等方法對YSZ的性能的改善。
為適應下一代超高溫熱障涂層的發展要求，近年來國內外針對制備工藝的改善和新材料性能進行了研究。利用調控等離子物理氣相沉積的噴距能得到不同微觀結構的熱障涂層，運用納米粉體再造粒技術，能制備出抗熱震性能、耐磨抗腐蝕性、韌性以及可加工性更為優異的納米結構涂層。ABO3型鈣鈦礦結構鋇鹽、鉭酸鹽、石榴石結構稀土鋁酸鹽、磁鉛石結構稀土鋁酸鹽、獨居石結構稀土磷酸鹽等新型陶瓷層材料的研究是一大熱點。與傳統YSZ相比，新陶瓷層材料有優異的高溫相穩定性、熱膨脹系數、熱導率等性能，但存在斷裂韌性低、組分復雜等缺點。為未來研究提供了方向并展望了面臨的挑戰。
關鍵詞：熱障涂層;陶瓷材料;航空發動機;超高溫
隨著兩機(燃氣輪機、航空發動機)技術的不斷發展進步，研制高推重比、高效率、低油耗以及長壽命的燃氣渦輪發動機勢在必行，要達到此目標就要求較高的渦輪前進口溫度[1]。作為先進民機代表的波音787上裝配的TRENT-1000三轉子發動機使用的是第四代鎳基單晶高溫合金和陶瓷基復合材料，其承溫能力達到1180℃，已接近高溫合金的熔點(~1300℃)。因此，為適應在嚴酷的高溫環境下工作，熱障涂層技術被美國、歐洲和我國視為現有提高燃氣渦輪發動機推重比和熱效率的三大關鍵性技術之一[2]。
熱障涂層(ThermalBarrierCoatings,TBCs)是一種功能隔熱涂層，通常是將導熱系數較低的高熔點陶瓷材料噴涂于燃氣渦輪發動機核心熱端部件表面，避免高溫介質直接作用在金屬基體表面，不僅可以達到降低金屬部件溫度、提高抗腐蝕性、進一步提高發動機工作溫度的目的，而且還能減少燃油消耗，延長發動機的使用壽命。
目前，應用最成熟、最廣泛的TBCs陶瓷層材料是質量分數7%-8%Y2O3部分穩定ZrO2(YSZ)，粘結層主要采用MCrAlY合金(M指Fe、Ni、Co等)，但因其在服役過程中長期受到熱循環作用，會引起YSZ分層、剝落，導致熱障涂層體系失效。因此，目前國內外研究人員對TBCs失效機理進行了大量的研究，以期提高其隔熱性能及服役壽命。本文介紹了熱障涂層失效機制的研究現狀及改善措施，并探討了未來發展方向。
1YSZ服役過程中現存問題
1.1高溫服役過程中TGO的生長
TBCs服役過程中會形成熱生長氧化物(ThermallyGrownOxides,TGO)，其主要成分是Al2O3，連續而致密的Al2O3薄膜能有效阻止氧離子繼續向粘結層擴散從而造成氧化，并能降低陶瓷層與粘結層之間熱膨脹系數的失配，從而起到提高TBCs壽命的作用。TGO的氧化增厚可分為三個階段：①快速生長階段(0-25h)：氧氣充足，Al選擇性氧化生成γ和θ相的Al2O3。②穩定氧化階段(25h-150h)：亞穩態γ和θ相的Al2O3向穩態α-Al2O3轉變[3]，形成連續、致密的氧化膜，α-Al2O3增厚。③緩慢氧化階段(150h失效)：Al元素大量消耗，在粘結層表層附近形成“貧鋁區”，同時在陶瓷層/粘結層界面處生成Cr2O3和NiCr2O4等尖晶石相的混合氧化物，混合氧化物的繼續生成，會誘發YSZ層間未結合界面擴展，進而形成裂紋，最終導致涂層失效[4]。
1.2高溫燒結
電子束物理氣相沉積(Electron-BeamPhysicalVaporDeposition,EB-PVD)制備的YSZ涂層的微結構以羽毛狀的柱狀晶為主，晶間的間隙與內部的納米級孔隙，使YSZ具有良好的應變容限，緩解了熱障涂層的失效[5]。等離子噴涂制備陶瓷層則具有典型的層狀結構，涂層內部存在大量微觀裂紋、層間結合區及球狀氣孔，能有效降低涂層的熱導率[6-8]。當TBCs表面溫度高于1200℃時，YSZ層易發生高溫燒結，涂層中羽毛狀的柱狀晶結構消失，其尖端變得平滑。
相鄰的柱狀晶因燒結而生長在一起，使涂層失去應變容限。柱狀晶粗化明顯，且頂部的柱狀晶尺寸要明顯大于底部，晶粒粗化將導致柱狀晶的強度降低，力學性能下降[5]。同時涂層孔隙率呈整體下降趨勢，且燒結溫度越高，下降越多[8]。孔隙率的降低會導致陶瓷層彈性模量和硬度明顯增加，斷裂韌性增加[9]，從而使涂層硬化[10]，嚴重時甚至可以造成陶瓷層發生片狀脫落，從而導致葉片等熱端部件的金屬基體受到損傷。
1.3CMAS腐蝕
飛機在服役過程中，發動機易吸入沙礫、火山灰等顆粒物，它們吸附沉積在葉片表面，造成冷卻孔堵塞，引起涂層早期失效，當吸入燃燒室后，在高溫燃氣的作用下形成熔融玻璃態沉積物CMAS(其主要成分為CaO、MgO、Al2O3、SiO2等硅酸鋁鹽物質的簡稱，也常含有V、S、Na、Fe等微量元素)[11]。高溫下CMAS對YSZ涂層的腐蝕機理比較復雜，總體來說可分為以下幾個階段[12-16]：
首先，熔融的CMAS滲入涂層表面，使陶瓷層燒結速率加快，隔熱性能下降，梯度燒結導致不同CMAS滲入區在熱物理性能上與涂層整體有較大差異，長時間服役，陶瓷層內會累積較大剪切應力，造成分層、剝離等形式的失效;其次，Y3+溶解在CMAS中，導致貧Y區的出現，YSZ晶格轉變產生了3%-5%的體積膨脹和橫向壓應力，使內部萌生裂紋;最后，腐蝕降低了涂層應變損傷容限，涂層在長時間受熱循環和CMAS的耦合作用，會產生分層、開裂以致剝落。
2YSZ性能改善的措施
2.1TGO生長的控制
金屬高溫氧化過程主要由界面反應速度和元素擴散速度兩個因素控制。氧化初期界面反應速度起主要作用，當致密氧化膜形成并增厚后，元素濃度梯度引起的擴散和電位梯度引起的遷移，其速度共同主導氧化速度，因此可以由此思路出發尋求控制TGO生長的方法。
改變粘結層的化學成分是控制TGO類型及生長速率的一種常用方法，不僅能在TGO中形成連續均勻致密的α-Al2O3膜，還能使TGO的生長速率保持在一個較低水平。BurtinP等[24,25]研究發現與氧化鋁的高溫相穩定性會受到共擴散的其它離子影響。Al3+、Mg2+等陽離子半徑較小，可加速Al2O3由γ、θ相向α相的相變，而Ca4+、Zr4+等大半徑陽離子則可抑制其相變，是因為小半徑陽離子提供了向密排結構α-Al2O3相變的條件[26]。摻雜Hf4+、Y3+等大半徑的活性陽離子可以抑制α-Al2O3，因為這些它們大多固溶在有氧離子空位網絡的亞穩相氧化鋁中，在氧化過程中的偏析聚集作用抑制了TGO生長，而Cr元素等小半徑陽離子則固溶在結構緊密的α-Al2O3中，加速TGO的生長[27]。
2.2提升YSZ的抗燒結性
提升YSZ抗燒結性能主要有以下兩種方法，一是采用稀土離子取代的LZ涂層，二是采用稀土鋯酸鹽與YSZ結合形成雙陶瓷層結構。
3未來發展方向
所謂一代材料，一代發動機，工信部原材料工業司在《重點新材料首批次應用示范指導目錄(2017年版)》中明確要求[53]，高隔熱涂層材料YSZ復相陶瓷材料要滿足：熔點>2000K，1200℃(100h)無相變，熱導率<1.2W/(m·K)。因此，未來熱障涂層的發展可以從改善制備工藝和尋找新型陶瓷層材料方面著手。
陶瓷方向評職知識：結構陶瓷論文發表可投稿的期刊
4結語
本文介紹了航空發動機熱障涂層的主要失效機理，并歸納了國內外改善熱障涂層的方法。雖然我國在新一代超高溫熱障涂層方面的部分研究已達到國際先進水平，但在熱障涂層材料、工藝水平等等方面仍需繼續探索，對熱障涂層性能評估仍缺乏科學、合理方法和標準。未來航空發動機熱障涂層材料的研究主要可從以下幾個方向進行：
(1)控制TGO的生長速率，從而提高涂層的高溫穩定性。(2)提升涂層的抗燒結性能，延長熱循環壽命。(3)延緩CMAS浸入時間，減少孔隙裂紋來提高涂層的抗CMAS腐蝕性。(4)制備納米結構熱障涂層來提高抗鹽霧腐蝕性。(5)改善研發噴涂、造粉工藝來提高制備的涂層性能。(6)研究不同稀土摻雜比，尋找新的熱障涂層材料，以突破1200℃的限制。
作者：王志平，費宇杰，劉延寬
轉載請注明來自發表學術論文網：http://www.zpfmc.com/jzlw/25324.html
