航空、航天科学技术

新一代超高温热障涂层研究

郑蕾，郭洪波，郭磊，等

摘要：热障涂层通常由陶瓷层和金属粘结层组成，用于降低高温燃气环境下发动机热端部件表面温度，在航空航天、能源、舰船等领域应用广泛。已获应用的热障涂层陶瓷层材料为氧化钇稳定氧化锆（YSZ），这种热障涂层可在1200℃以下温度长期工作。然而，在更高温度下，YSZ将发生相变失稳和加速烧结，导致涂层剥落失效。随着燃气涡轮发动机服役温度不断提升，迫切需要发展新型超高温热障涂层。综述介绍了热障涂层的研究背景、迫切性和功能，以及近年来在超高温热障涂层材料、结构和制备技术等方面的进展。在目前研究的陶瓷层材料中，萤石结构 La2Ce2O7（简称 LC）由于具有极低热导率（1000℃热导率为0.6 W/mk，仅为YSZ的1/3），且在室温至1600℃长期相稳定，是一种非常有前景的超高温热障涂层陶瓷层候选材料。LC/YSZ双陶瓷层结构热障涂层在表面温度1300℃的热冲击测试中寿命达到2000次以上。对于热障涂层金属粘结层来说，要求具有良好的抗高温氧化性能，并与先进单晶高温合金基体保持匹配。RuNiAlDy涂层在1200℃完全抗氧化，而且与先进单晶合金基体保持界面匹配，能够抑制二次反应区（SRZ）和针状TCP形成。热障涂层通常由大气等离子喷涂（APS）或电子束物理气相沉积（EB-PVD）方法制备。APS涂层通常为层状结构，而EB-PVD涂层为高应变容限的柱状结构。PVD涂层沉积效率低，成本高。此外，受技术局限，APS和EB-PVD很难实现复杂型面尤其是多联叶片遮挡区涂层的均匀沉积。近来，一种基于低压等离子喷涂（LPPS）的等离子物理气相沉积（PS-PVD）技术问世。这种技术兼具APS和PVD技术优势，可实现喷涂粉末的快速气化，得到不同结构特征的涂层。尤其是，PS-PVD具有非视线沉积功能，可实现遮挡阴影区域涂层均匀沉积。PS-PVD正在发展成为一种非常有前景的高性能热障涂层制备技术。随着发动机服役温度不断提升，热障涂层面临新的挑战。一种主要由CaO、MgO、Al2O3和SiO2（简称CMAS）组成的硅化物（主要来源于灰尘、沙尘、火山灰等）被吸入发动机，黏附在热障涂层表面。高温下熔融态CMAS渗入热障涂层，加速涂层剥落失效。CMAS是目前热障涂层工业应用中的瓶颈问题之一，CMAS损伤失效机理及相关的防护方法是关注焦点。总之，新型热障涂层材料和结构设计以及制备技术的发展，是新型超高温、高隔热、长寿命热障涂层研制的基础。

来源出版物：航空材料学报, 2012, 32(6)：14-24

入选年份：2016