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··材料导报年月第卷第期

热障涂层的研究和发展

武颖娜王冰华伟刚王福会宫骏孙超黄荣芳闻立时

中国科学院金属研究所金属腐蚀与防护国家重点实验室,沈阳

摘要介绍了用于燃气轮机的热障涂层的发展和研究现状,系统地阐述了热障涂层的组成、制备方法、失效机
理及提高使用寿命的途径。
关键词热障涂层制备方法失效机理使用寿命

,

,

,一

一,,

一,、、、,、

·
连接层

引言,
合金中是基本构成元素,一般为铁族元素

,,
目前提高燃气轮机工作温度最可行和最经济的途径是或高熔点金属元素以及这些元素的组合,如,、。、、,、

,
在使用先进的高温合金材料和冷却技术的前提下采用热障、、“、一。、一等。是作为增强和维持保护性氧化

,。
涂层简称使用热障涂层涂层的功能结合性、高温耐蚀性及降低内部扩散等而添加

,
可以减少热量从燃气向金属部件的传递使金属部件的工作的元素,有、、、、、等氧化活拨性元素。典型的

,·。
温度降低一短时间内可降低川连接层成分为,,。涂层中的
一些重要的先期工作是从上世纪年代到年代初在含量对〔热腐蚀性能影响很大,且可以降低形成

。
,一
美国国家宇航局研究中心进行的年代中期的临界含量。的存在是用以形成,含量相对较

,
和记成功地研制出氧化错基热障涂层这项工作高对抗氧化和热腐蚀是有益的,但含量过高会导致涂层脆

。
促进了热障涂层的进一步发展和测试工作在最近的十多年性增大、延性一脆性转变温度高等缺点,因此涂层中的含

,,
中热障涂层技术在国外已获得了广泛的应用美国几乎所有量常选择在一之间。仁〕的研究结果表明,高

,
的陆用和船用燃气轮机都采用了在航空航天上的应一低环匕低低

,,
用也已经实用化如发动机燃烧室发动机一级环更能延长的使用寿命。魂〕认为含量

。
涡轮叶片上公司采用改进的等离子喷涂技术制备较高时一写,涂层中有一相出现,一的存在可
,〕。
已使燃烧室的总寿命超过国内对热障涂层的研究降低层的热胀系数,减小热应力,从而延长涂层寿

,
应用与国外存在着很大的差距如在航空发动机上仅一命。由于在合金中的溶解度很低,加入过多时,会偏聚在
和一等发动机的燃烧室内壁或加力筒体隔热屏等晶界处使其抗高温氧化和热腐蚀性能下降,涂层中的加入

,。
少数零件上采用了热障涂层这些发动机工作温度均比较低量一般小于。连接层厚度一般在。一二范围内,以
。。户。
的左右居多
热障涂层组成·
陶瓷层
,
热障涂层包括两个部分内层的抗氧化合金层连接层熔点高、导热率低,具有与高温合金相近的热膨胀
。,。
和的绝面,,。
外层缘陶瓷层层连接层采系数有良好的抗热冲击性能已成为公认的作为陶瓷
,
用合金作用是护基在高温下免受氧化和腐。
保材层最好的材料单相存在如下同素异构转变
蚀,实现陶瓷层与基体热胀系数的过渡,并为陶瓷层提供粗糙
蔺二二
表面。陶瓷层的主要成分为氧化错,其作用是承受高的表面温单斜相生四方相一立方相

、
度,抗热冲击,耐磨损。在燃气轮机的工作温度范围内,单斜一相四方相之间

武颖娜女,博士后电话一一。。
热障涂层的研究和发展武颖娜等

,。、。一
的相转变伴随有一的体积变化可导致涂层破坏为是基材涂层之间热膨胀系数的不匹配在连接层未被氧化
了避免相变,要对进行稳定化处理,常用的稳定剂有时,连接层与陶瓷层之问热膨胀系数不匹配产十的应力,可以

、、、,一、
其中以。应用最广通过陶瓷层内缺陷微裂纹孔洞的自由膨胀和压缩得到释

。
泛陶瓷层的厚度在一。。拜范围内,陶瓷层的厚度直接放连接层被氧化后,这种自由膨胀和压缩被连接层与陶瓷层

。
影响的隔热效果宫声凯等研究了热障涂层的隔热间氧化膜,的生长所抑制。在冷

,
效果结果表明陶瓷层厚度与隔热效果在实际涂层应用的厚却过程中,氧化膜的生长应力与热膨胀系数不匹配产生的热

。
度范围内接近线性关系应力叠加,将导致涂层剥落失效。文献「一」就连接层氧化

,
为了提高的高温性能多层和梯度结构的导致’’弧失效进行’深入研究。

,。
是今后的发展方向本文将在下面介绍门改善连接层的抗氧化性

,
热障涂层的制备方法高温氧化过程中在连接层与陶瓷层界面处形成连续的
膜,可以减缓氧化速度,阻碍合金的进一步氧化,对改
等离子喷涂善连接层的抗氧化性是有益的。目前,普遍采用的提高连接层
,,,
由于成本低生产效率高喷涂层厚度可调范围大成分抗氧化性的方法有连接层表面化处理,连接层表面预氧
,。
易控制等优点等离子喷涂已成为的主要制备方法但化,连接层表面一层,激光重熔连接层,添加微量
,,
、
是等离子喷涂层的形成过程中不可避免地存在一些缺点如元素等。武颖娜等口‘’」采用激光重熔添加第二相的

喷涂层的层状结构抗热冲击能力差喷涂材料在化学成分和一,,
喷涂层改变了等离子喷涂层的高