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大气等离子喷涂热障涂层CMAS防护层成分及厚度优化
引言
大气等离子喷涂热障涂层（APS）是一种广泛应用于高温环境下的一种保护涂层。APS的最主要作用是为高温设备提供热障保护，防止高温烧蚀，减少设备的损耗，延长设备使用寿命。CMAS（CaO-MgO-Al2O3-SiO2）是一种膜状氧化物，可以在热力工作条件下形成，并在高温环境下危害热障涂层，因此，防止CMAS对热障涂层的危害已成为一个重要的问题。本文主要介绍CMAS对APS的影响及优化CMAS防护层的成分和厚度。
一、CMAS对APS的影响
1.CMAS的成分和形成机理
CMAS主要是由含有CaO、MgO、Al2O3和SiO2等氧离子的物质组成的。在高温高压条件下，CMAS组分可以与热障涂层的陶瓷氧化物反应，形成膜层或点蚀。CMAS的形成机理主要是由于颗粒和液凝聚的反应，在高温高压条件下，CMAS材料在氧离子和质子的作用下会熔化，向热障涂层扩散。随着时间的推移，CMAS材料中的Si、Mg和Al等元素会与热障涂层的氧化物发生反应，在热障涂层表面形成一层膜或点蚀。
2.CMAS影响的机理
CMAS在热障涂层中的积聚是一种严重的问题，因为它会显著降低热障涂层的寿命。CMAS的影响机理主要包括以下几个方面：
（1）直接腐蚀：CMAS会与热障涂层中的氧化物反应，形成硅酸钙和其他硅酸盐等固体，这些产物会降解热障涂层的机械性能，从而导致热障涂层的崩溃。
（2）热损伤：CMAS会吸收热量，还会明显降低热障涂层的导热性，这些影响会在整个热障涂层中传导并导致其失效，最终导致热障涂层在起伏温度下失效。
（3）组织破坏：CMAS会直接破坏热障涂层的组织结构，并导致热障涂层失效。CMAS可在热障涂层表面上形成点蚀，点蚀表面的缺陷可导致热障涂层中的微裂纹产生，从而增加了热障涂层的失效风险。
二、CMAS防护层的优化
1.CMAS防护层的成分
CMAS防护层的成分需要考虑到CMAS对热障涂层的危害机理，因此制备CMAS防护层的成分往往包括氧化物和碳酸钙等化合物。CMAS防护层可以采用具有高比表面积的氧化物，如氧化铝或二氧化硅，来吸收熔点等元素并防止它们与热障涂层进行反应。同时，加入碳酸钙可以促进CMAS的自生物质，并形成一层相对均匀的保护层。
2.CMAS防护层的厚度
CMAS防护层的厚度是实现对CMAS保护的一个重要因素。由于CMAS的侵蚀方式是渐进性的，因此在长时间使用过程中，CMAS保护层的厚度需要进行厚度控制。实验发现，对于采用熔体的APS，CMAS防护层的厚度需要高于20微米才能发挥优秀的防护效果。而对于APS采用其他耐高温熔体时，CMAS防护层的厚度则不需要过厚。
三、结论
CMAS对APS的影响是一个非常严重的问题，CMAS防护层的研究已成为热障涂层领域值得关注的焦点。本文以APS中CMAS成分和形成机理为基础，阐述了CMAS对APS的影响机理，并介绍了CMAS防护层的成分和厚度的优化。通过合适的CMAS防护层的方案，可以充分避免CMAS对热障涂层的危害，延长热障涂层的使用期限，维持机器设备的稳定性。