項(xiàng)目突破創(chuàng)新專題研討一、熱障涂層應(yīng)用現(xiàn)狀
要想使航空發(fā)動(dòng)機(jī)獲得更大的推重比，就必須提高發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪前的進(jìn)口溫度，因此對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室、渦輪葉片等熱端部件的抗高溫能力的要求相應(yīng)提高。在基體合金表面涂覆熱障涂層（ Thermal Barrier Coating，TBC）是有效提升其抗高溫能力的途徑之一 。目前在渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)上獲得實(shí)際應(yīng)用的熱障涂層均為雙層結(jié)構(gòu)： 表層為陶瓷層，主要起隔熱作用，此外還起抗腐蝕、沖刷和侵蝕的作用；
內(nèi)層為金屬粘接層，主要起改善金屬基體與陶瓷層之間的物理相容性，增強(qiáng)涂層抗高溫氧化性能的作用。
迄今為止，應(yīng)用最廣、最成熟的熱障涂層是以氧化釔（質(zhì)量分?jǐn)?shù) 6% ～8% ）部分穩(wěn)定氧化鋯（ YSZ）陶瓷層為面層，MCrAlY合金層為粘接層的雙層結(jié)構(gòu)熱障涂層體系。 YSZ具有低的熱導(dǎo)率和相對(duì)較高的熱膨脹系數(shù)，但是它在使用過程中存在如下問題：
（1）當(dāng)工作溫度高于 1200 ℃時(shí)，隨著燒結(jié)時(shí)間延長，YSZ 的孔隙率和微觀裂紋數(shù)量逐步減少，從而導(dǎo)熱系數(shù)上升，隔熱效果下降。
（2）高溫環(huán)境中，熱障涂層的面層和粘接層之間會(huì)生成以含鋁氧化物為主的熱生長氧化物（ TGO），同時(shí)金屬粘接層會(huì)產(chǎn)生“貧鋁帶”，隨著熱循環(huán)次數(shù)的增加，貧鋁帶擴(kuò)大，富 Ni、Co的尖晶石類氧化物在TGO 中形成，從而使 TGO 內(nèi)部產(chǎn)生較大的應(yīng)力，最終誘發(fā)裂紋并導(dǎo)致陶瓷面層脫落。
（3）空氣環(huán)境中或飛機(jī)跑道上的顆粒物進(jìn)入燃燒室后，在高溫作用下形成一種玻璃態(tài)沉積物 CMAS（ CaO，MgO，Al2O3，SiO2等硅酸鋁鹽物質(zhì)的簡稱）。 CMAS 附著在發(fā)動(dòng)機(jī)葉片上，在毛細(xì)管力的作用下沿著 YSZ 涂層孔隙向深度方向滲透，隨后 CMAS與YSZ涂層中的 Y2O3發(fā)生反應(yīng)，加速YSZ相變，最終在熱化學(xué)與熱機(jī)械的相互作用下，導(dǎo)致YSZ 涂層內(nèi)部產(chǎn)生裂紋。
（4） YSZ 陶瓷面層、金屬粘接層、TGO 的熱膨脹系數(shù)存在的差異會(huì)引起致YSZ陶瓷面層/TGO界面、TGO/金屬粘接層界面上在從工作溫度（上千攝氏度） 降到室溫的過程中產(chǎn)生應(yīng)變失配，從而形成熱失配應(yīng)力，最終會(huì)導(dǎo)致YSZ 面層脫落。
為了改善 YSZ 涂層性能，人們進(jìn)行了大量的探索和研究。表1是影響 YSZ 涂層服役壽命的常見問題及其改善需求、改善方法。
1、改善抗燒結(jié)性
（1）提高陶瓷涂層純度，減少 YSZ 涂層中 SiO2和 Al2O3雜質(zhì)的含量，可以顯著降低涂層的燒結(jié)速率，平面收縮傾向減小，從而降低導(dǎo)熱系數(shù)的增加速率，涂層表現(xiàn)出一定的抗燒結(jié)性。
（2）在涂層中添加特殊化學(xué)元素。例如在鑭系鋯酸鹽體系（ La2Zr2O7）涂層中適量摻雜Hf 、Nd、Gd、Sm 等元素能夠有效提升涂層的抗燒結(jié)性能。
2、控制 TGO 的生長
航空發(fā)動(dòng)機(jī)在高溫服役過程中，粘接層Al，Cr，Ni 等金屬元素接觸氧氣發(fā)生選擇性氧化，會(huì)在粘接層（ BC） 和頂層陶瓷層（ TC）表面形成一層熱生長氧化物（ TGO） ，進(jìn)而造成涂層局部膨脹并對(duì) TC 產(chǎn)生張力， 當(dāng)張力超過了TC的結(jié)合力時(shí)就會(huì)引起裂紋擴(kuò)展，直至表面涂層的剝落。
（1）改變粘接層的化學(xué)成分。適當(dāng)摻雜一些活性元素（ 如 Y，Hf，Zr），在這些元素的偏析聚集作用下，降低Al2O3的增長速度，抑制TGO 生長；
（2）采用冷噴涂（ CS）、超音速火焰噴涂（ HVOF）等工藝或預(yù)先沉積一層富 Al 的PVD “薄夾層”，改善涂層結(jié)構(gòu)，降低氧氣擴(kuò)散系數(shù)，從而減緩 TGO 的生長速度。
3、改善抗CMAS腐蝕性能
發(fā)動(dòng)機(jī)葉片上 CMAS 的形成不僅會(huì)造成釔的損耗引起 ZrO2熔融相變產(chǎn)生不穩(wěn)定相，CMAS 的沉積還會(huì)引起涂層應(yīng)力增大，加速涂層剝蝕，大大降低熱障涂層的服役壽命。研究發(fā)現(xiàn)從以下幾方面可改善涂層抗 CMAS 腐蝕性能：
（1）改變涂層化學(xué)成分。在 YSZ 中添加 Al，Ti，Si等元素可誘導(dǎo)生成一種氧基磷灰石相，從而抑制 CMAS 的向涂層內(nèi)部侵蝕，降低界面層的浸潤性能，增強(qiáng)涂層抗 CMAS 性能。
（2） 改變涂層結(jié)構(gòu)。燒綠石結(jié)構(gòu)的 Y2Zr2O7中滲入的 CMAS就比一般結(jié)構(gòu)的 YSZ 少很多。對(duì)于“ YSZ 內(nèi)層 + 稀土鋯酸鹽（ Ln2Zr2O7） 燒綠石外層”、“YSZ +Sm2Zr2O7 ”和“YSZ +Gd2Zr2O7 ”等雙層熱障涂層，由于燒綠石外層可以減少 CMAS 的滲入，因此熱障涂層的抗 CMAS 侵蝕性得到極大提高。
4、 改善YSZ 面層應(yīng)變?nèi)菹?/span>
采用EB-PVD 技術(shù)、等離子物理氣相沉積技術(shù)（ PS-PVD）、懸浮液等離子噴涂技術(shù)（ SPS）等可制備 “柱狀”結(jié)構(gòu)的 YSZ 陶瓷面層，通過柱間縱向開裂釋放陶瓷面層/TGO 界面上的熱失配應(yīng)力，使熱障涂層可以承受更高的失配應(yīng)變，從而提高YSZ 陶瓷層應(yīng)變?nèi)菹?，延長涂層熱循環(huán)壽命。這種方法工藝簡單，成本低，但是縱向裂紋是通過表面集中加熱的方式產(chǎn)生的，密度不高且形態(tài)無法控制，因此涂層的循環(huán)壽命不穩(wěn)定，使得涂層在應(yīng)用上受到很大的限制。
法國 Albi 學(xué)院的 Philippe 教授和 Toulouse 大學(xué)的 Florence 教授等利用溶膠-凝膠（ Sol-Gel）方法在金屬粘接底層上沉積 YSZ 層，通過高溫?zé)崽幚硎蛊浒l(fā)生龜裂，再通過 APS 技術(shù)填充裂紋，強(qiáng)化原有結(jié)構(gòu)，形成了一種具有網(wǎng)狀分區(qū)結(jié)構(gòu)的 YSZ 陶瓷面層。研究結(jié)果表明，這種具有縱向分區(qū)結(jié)構(gòu)的熱障涂層可以達(dá)到與 EB-PVD 熱障涂層相近的熱循環(huán)壽命。
二、 新型熱障涂層發(fā)展方向
尋找新材料來滿足更高的發(fā)動(dòng)機(jī)出口溫度是熱障涂層制備和發(fā)展的重要方向。為了得到理想的熱障涂層，必須獲得具備更低熱導(dǎo)率的頂層陶瓷層，開發(fā)出新型低熱導(dǎo)率熱障涂層和陶瓷基復(fù)合材料熱障涂層成為研究熱點(diǎn)。
1 、新型低熱導(dǎo)率熱障涂層
提高熱障涂層的熱阻需要從降低熱導(dǎo)率入手，熱障涂層中的熱量傳輸主要有電子傳導(dǎo)、熱輻射和晶格聲子傳導(dǎo)三種方式，因此降低聲子平均自由程、聲子速度或材料密度，能夠有效減少晶格聲子的熱量傳輸。材料本身固有的缺陷以及摻雜都可以顯著提高外在缺陷散射，從而降低材料的導(dǎo)熱性能。
（1）改變涂層化學(xué)成分
利用Y2O3摻雜 ZrO2、各種鑭系元素（ 包括 La，Gd，Er，Nd，Dy 和Yb）單獨(dú)或共摻雜ZrO2、過渡金屬元素（ 如 Ni，Nb 和 Ta）摻雜以及Hf摻雜ZrO2，誘導(dǎo)晶格應(yīng)變，從而增大晶格的非簡諧振動(dòng)和聲子散射，進(jìn)而降低材料熱導(dǎo)率。
（2）改善涂層晶體結(jié)構(gòu)
燒綠石結(jié)構(gòu)體系（A2B2X7）憑借其較低的熱導(dǎo)率近幾年來成為新型熱障涂層研究熱門。例如稀土鋯酸鹽 Ln2Zr2O7（ Ln 為稀土元素）燒綠石結(jié)構(gòu)陶瓷涂層（ 如 Gd2Zr2O7，Sm2Zr2O7）相比于 YSZ，具有更好的熱物性和良好的機(jī)械性能。結(jié)構(gòu)相似的鑭系鋯酸鹽摻雜時(shí)，因其可以形成固溶體，也能夠降低材料的熱導(dǎo)率。而La2Hf2O7的熱導(dǎo)率比La2Zr2O7更低。此外，增加涂層孔隙率也有利于降低涂層熱導(dǎo)率。
2、陶瓷基復(fù)合材料熱障涂層
高溫金屬材料（ 如鎳、鈷或鐵基超合金） 常被用于制作渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片等，但是它們通常在超過其熔點(diǎn)溫度的環(huán)境下服役，所以熱穩(wěn)定性得到極大挑戰(zhàn)。由于陶瓷基復(fù)合材料（ CMC）能夠承受1250 ℃以上的高溫，因此能夠承受更高溫度的新型CMC復(fù)合材料成為下一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫部件的主要候選材料，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件的服役溫度，保障發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和轉(zhuǎn)換效率。
CMC 材料不同于金屬材料，制成的熱端部件在工作時(shí)不需要進(jìn)行氣冷，并且還能改進(jìn)零件的耐久性，從而極大地提高發(fā)動(dòng)機(jī)的推力和工作率。2013年，羅羅公司采用 SiC/SiC 復(fù)合材料制造成發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪葉片進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果顯示，葉片質(zhì)量可減少50% 左右。但是，CMC 在高溫下的氧化燒蝕限制了其在飛機(jī)上的應(yīng)用。以 SiC-纖維/SiC-基體 CMC 材料為例，在高壓渦輪機(jī)的高溫氧化條件下，會(huì)形成一層SiO2保護(hù)層來阻止 CMC 繼續(xù)被氧化，但是 SiO2層又會(huì)與水蒸氣反應(yīng)生成氫氧化物，從而導(dǎo)致 CMC 中 SiC基體的侵蝕。在 CMC 基體上制備一層環(huán)境熱障涂層（ EBC）
是解決這一問題的關(guān)鍵。
EBC 通常由粘接層、過渡層和頂層三部分構(gòu)成（如上圖 所示）。粘接層一般由 Si 元素組成，主要作用是確保 EBC 和 CMC 基體結(jié)合良好；
過渡層一般由鋇鍶鋁硅酸鹽（BSAS）和莫來石混合而成，主要起抗高溫氧化和抑制與水蒸氣反應(yīng)的作用；
頂層由 BSAS 構(gòu)成，主要起到抗高溫腐蝕和抗外來物沖擊的作用。
責(zé)任編輯：周婭
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