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 。

    為啥有人說(shuō)燃?xì)廨啓C(jī)是世界上最難造的機(jī)器？難題之一：它工作時(shí)燃燒室的溫度可達(dá)1600度！速度堪比龍卷風(fēng)的高溫氣體還會(huì)在內(nèi)部不斷沖擊。如何讓燃機(jī)抵抗這樣的考驗(yàn)？西門(mén)子研發(fā)出隔熱層，而它的主要材料竟然是喜聞樂(lè)見(jiàn)的——陶！瓷！不信？有視頻有真相，看西門(mén)子發(fā)明家大叔為您解讀。

    熱障涂層（Thermal Barrier Coatings，TBCs）通常由金屬粘結(jié)底層和陶瓷面層組成 ， 粘結(jié)底層通常采用MCrAlY（M為Ni、Co或Ni+Co）合金，主要擔(dān)負(fù)著過(guò)渡熱不匹配、抗氧化、抗腐蝕的多重功效，而陶瓷面層通常采用Y2O3穩(wěn)定的ZrO2，主要起隔熱作用，因其具有良好的抗高溫氧化性、抗沖刷性和隔熱性等特點(diǎn)，已成為目前國(guó)內(nèi)外地面重型燃?xì)廨啓C(jī)最先進(jìn)的高溫防護(hù)涂層之一。

    1963年普惠公司第一次把TBC用在JT8D型燃?xì)廨啓C(jī)的火焰筒中， 如今GE公司和普惠公司已廣泛將TBC用于許多燃?xì)廨啓C(jī)的高溫部件， 如火焰筒、葉片、過(guò)渡段等。

    從上世紀(jì)40年代末50年代初發(fā)展至今，熱障涂層制備工藝不斷改進(jìn)。當(dāng)今，制備熱障涂層最成熟的方法是大氣等離子噴涂，同時(shí)還包括超音速火焰噴涂、電子束物理氣相沉積、低壓等離子噴涂、高頻脈沖爆炸噴涂等。

    目前使用的熱障涂層一般是由頂部陶瓷層（Top Coating）和底部的金屬粘結(jié)層（Bond Coating）組成。陶瓷層主要用來(lái)隔熱， 必須滿足熱導(dǎo)率低， 抗熱震性能好的指標(biāo)，所以要求陶瓷層材料具有熔點(diǎn)高、高溫下相穩(wěn)定、熱導(dǎo)率低、熱反射率高等物理化學(xué)特性，同時(shí)要考慮其熱膨脹系數(shù)與基體材料匹配。金屬粘結(jié)層則用于防止金屬基體的高溫氧化， 并緩解陶瓷層和金屬基體的熱膨脹不匹配。另外， 由于粘結(jié)層長(zhǎng)期高溫使用的氧化， 粘結(jié)層和陶瓷層之間會(huì)生成一層氧化物， 即熱生長(zhǎng)氧化物（Thermally Grown Oxide，簡(jiǎn)稱TGO）。

    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(guò)程中存在如下問(wèn)題：

    （1）當(dāng)工作溫度高于 1200 ℃時(shí)，隨著燒結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)，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(zhǎng)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(jiǎn)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(guò)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(jiàn)問(wèn)題及其改善需求、改善方法。

    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。

    控制 TGO 的生長(zhǎng)

    航空發(fā)動(dòng)機(jī)在高溫服役過(guò)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(zhǎng)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(guò)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(zhǎng)速度，抑制TGO 生長(zhǎng)；

    （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(zhǎng)速度。

    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(rùn)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。

    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(guò)柱間縱向開(kāi)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)菹蓿娱L(zhǎng)涂層熱循環(huán)壽命。這種方法工藝簡(jiǎn)單，成本低，但是縱向裂紋是通過(guò)表面集中加熱的方式產(chǎn)生的，密度不高且形態(tài)無(wú)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(guó) 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(guò)高溫?zé)崽幚硎蛊浒l(fā)生龜裂，再通過(guò) 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。

    新型熱障涂層發(fā)展方向

    尋找新材料來(lái)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(kāi)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)。

    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(guò)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(jiǎn)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(lái)成為新型熱障涂層研究熱門(mén)。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。

    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(guò)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(lái)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(wèn)題的關(guān)鍵。

    ER7多層涂層結(jié)構(gòu)示意圖

    EBC 通常由粘接層、過(guò)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(guò)渡層一般由鋇鍶鋁硅酸鹽（BSAS）和莫來(lái)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(lái)物沖擊的作用。

    燃機(jī)上應(yīng)用

    熱障涂層具有良好的隔熱效果和抗高溫氧化性能，應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)可以顯著提高高溫部件的使用溫度，延長(zhǎng)部件壽命，節(jié)省燃料，提高效率。特別是燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件，如火焰筒 、 過(guò)渡段、噴嘴、渦輪葉片等核心部件，通常采用鎳基高溫合金材料，渦輪葉片等高溫部件經(jīng)歷鍛造、鑄造、定向結(jié)晶和單晶等工藝后，使用空氣冷卻系統(tǒng)和冷卻通道的改進(jìn)也只能獲得有限的冷卻效果，再提高其高溫性能的空間已十分有限，因此必須對(duì)其采用高溫隔熱 （如涂敷熱障涂層）防護(hù)措施。

    而通過(guò)在高溫部件上制備一層300～500μm熱障涂層可以有效降低金屬基體的工作溫度，顯著提高燃?xì)廨啓C(jī)的效率、減少燃油消耗、延長(zhǎng)使用壽命，因此得到了廣泛的應(yīng)用。

    而燃?xì)廨啓C(jī)的高溫部件是決定燃?xì)廨啓C(jī)壽命的關(guān)鍵部件，它們不僅工作溫度高，而且還承受燃?xì)廨啓C(jī)在起動(dòng)和停機(jī)時(shí)因溫度劇烈變化引起的熱沖擊，工作條件非常惡劣。火焰筒是燃燒室的重要組成部分， 燃料在火焰筒中與空氣混合燃燒，火焰區(qū)的溫度高達(dá)1800℃～2000℃，因此，對(duì)TBC隔熱性能要求最高， 同時(shí)還要求有很好的抗高溫氧化能力和抗熱震能力。

    過(guò)渡段也在高溫燃?xì)庀鹿ぷ鳎^(guò)渡段周圍必須有強(qiáng)大的冷卻空氣流，這樣就會(huì)造成燃?xì)馀c過(guò)渡段金屬之間有數(shù)百攝氏度的溫差，所以用在過(guò)渡段的TBC不但隔熱、抗氧化性能要好 ，還要求有更好的抗熱震性能。透平葉片在高溫氧化環(huán)境下工作，同時(shí)還承受較高的熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力。靜葉片是透平中溫度最高的部件，內(nèi)部的冷卻氣流非常強(qiáng)烈，造成了靜葉片的極度冷熱不均勻，也成為承受熱沖擊最厲害的部件。

    同時(shí)，隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，燃?xì)庵袛y帶的高溫腐蝕物會(huì)逐漸沉積在靜葉片的表面，因此靜葉片上的TBC要求有很好的抗高溫腐蝕性能。動(dòng)葉片在高溫下要承受很大的離心力，是透平中工作條件最惡劣的部件，用在動(dòng)葉片上的TBC不但要有很好的隔熱、抗高溫氧化、抗熱震性能，而且要有很好的抗蠕變、熱疲勞、機(jī)械疲勞性能。

    國(guó)外先進(jìn)燃機(jī)熱端部件粘結(jié)底層多采用超音速火焰噴涂技術(shù)和低壓等離子噴涂技術(shù)，陶瓷面層多采用大氣等離子噴涂技術(shù)。先進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片上熱障涂層的制備多為電子束物理氣相沉積技術(shù)或者超音速火焰噴涂和等離子噴涂復(fù)合工藝，其中西門(mén)子公司生產(chǎn)的透平葉片便是選擇后者復(fù)合工藝，而國(guó)內(nèi)熱障涂層粘結(jié)底層和陶瓷面層大多均采用等離子噴涂技術(shù)。

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責(zé)任編輯：王元

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