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爆炸喷涂热障涂层的抗热冲击行为及其失效机理的研究
摘要
爆炸喷涂热障涂层（EBPVDTBCs）由于其优异的抗氧化和隔热性能，在航空、航天和能源等领域得到广泛应用。然而，由于其工作环境的恶劣性，热障涂层经常遭受热冲击，导致其失效。本文综述了热障涂层抗热冲击行为及其失效机理的相关研究，重点阐述了热冲击试验的原理和方法、热冲击引起的涂层失效模式及其机理、影响涂层抗热冲击性能的因素和提高涂层抗热冲击性能的方法。最后，本文提出了热障涂层抗热冲击性能的发展趋势和未来研究方向。
关键词：热障涂层；爆炸喷涂；抗热冲击性能；失效机理；涂层失效模式；发展趋势
1.简介
随着现代工业技术的发展，高温工作环境下的材料对其材料性能提出了更高的要求。为了在高温工作环境下延长材料的使用寿命，不断提高其材料的性能，在材料表面采用热障涂层技术就显得尤为重要。热障涂层技术是一种将高温陶瓷材料涂在金属或合金表面的技术，可以有效隔断高温气体的热量传递，降低表面温度，减轻高温环境对材料的侵蚀。目前，热障涂层已广泛用于航空、航天和能源等领域。
爆炸喷涂是一种在高速气流中将陶瓷粉末熔化并喷涂在基底上的技术，被广泛应用于热障涂层的制备。爆炸喷涂热障涂层（EBPVDTBCs）以其优异的抗氧化和隔热性能，具有较好的应用前景。但是，由于热障涂层工作环境的极端恶劣性，热障涂层经常会遭受热冲击，导致其失效，影响其使用寿命。因此，研究热障涂层抗热冲击性能及其失效机理具有重要意义。
2.热冲击试验原理和方法
热冲击试验是评价热障涂层抗热冲击性能的基本手段。一般采用气体热疲劳试验、火焰加热试验和激光冲击试验来评价热障涂层的抗热冲击性能。其中，气体热疲劳试验是最为常见的试验方法。
气体热疲劳试验是指将样品置于高温气流中，使其经历周期性的热冲击。试验时，样品可以使用碳化硅、铝氧化物等材料模拟热障涂层，气体可以使用空气、燃气焚烧气等高温气流。试验后，可观测到热障涂层的失效现象。
3.热冲击引起的涂层失效模式及其机理
热冲击试验时，热障涂层经历周期性的高温载荷，往往出现不同程度的失效现象。热冲击引起的热障涂层失效模式主要包括剥落、裂纹、氧化、穿孔等。这些失效现象的产生与热冲击引起热应力、热疲劳和氧化损伤等因素有关。
热应力是指由于温度差异而引起的应力。热冲击试验时，热障涂层由于温度急剧变化，产生热应力，若热应力超过了热减缓效应的补偿能力，就会引起剥落等失效现象。热疲劳是热障涂层经受大量热循环后所发生的材料的变形和断裂，往往只有在高温载荷下才会产生。氧化是指隔热涂层中的氧化物层与基底层之间存在氧化等化学反应。由于热障涂层的氧化物层存在耐火材料与氧化物之间明显的脆性复合材料界面，因此易于产生裂纹和不同步位移等缺陷。
4.影响涂层抗热冲击性能的因素
影响涂层抗热冲击性能的因素主要包括基材热稳定性、涂层基础材料的选择、涂层厚度、氧化物层的特性和涂层结构等。其中，涂层基础材料的选择是影响热障涂层抗热冲击性能的关键因素之一。通常使用的基础材料有氧化锆、钇稳定的氧化锆等高温陶瓷材料，它们具有高温强度高、抗热疲劳性能好等优点。
5.提高涂层抗热冲击性能的方法
为了提高涂层抗热冲击性能，可以采取多种方法。首先，可以选择合适的涂层材料和工艺，如采用高温陶瓷材料、改变涂层厚度等。其次，可以采用先进的表面处理技术，如采用化学处理、溅射处理等技术。此外，开展微结构研究和复合材料技术也是提高热障涂层抗热冲击性能的有效手段。
6.发展趋势和未来研究方向
热障涂层抗热冲击性能的研究具有很大的发展空间和前景，未来需要在热障涂层材料、涂层结构、热冲击试验等方面进行深入的研究。首先，热障涂层材料应在高温、高应力等极端环境中保持其稳定性并提高其力学性能。其次，在热冲击试验方面，需要改善现有的试验方法，尤其是在气体流动控制、周期和载荷等方面进行研究。此外，应开展热障涂层的多尺度研究和开发先进、高效的加工和制备技术，为热障涂层的发展和应用奠定坚实基础。
7.结论
本文综述了热障涂层抗热冲击行为及其失效机理的相关研究，重点阐述了热冲击试验的原理和方法、热冲击引起的涂层失效模式及其机理、影响涂层抗热冲击性能的因素和提高涂层抗热冲击性能的方法。热障涂层抗热冲击性能的研究具有广阔的应用前景，未来可以在热障涂层材料、涂层结构、热冲击试验等方面进行深入的研究，为热障涂层的发展和应用提供更好的技术支持。