热障涂层

随着航空工业的发展，涡轮发动机的推重比越来越高，涡轮前进口温度也越来越高。根据国内外材料的研究历程，在短时期内通过提高材料的使用温度来实现涡轮叶片耐高温能力大的提升具有相当大的难度，可行的方法是在涡轮叶片基体上沉积热障涂层以提高其使用温度。未来热障涂层技术的发展将着重研究以下几个方面：

①研究适用于下一代超声速发动机的新的热障涂层材料体系，寻找能替代ZrO₂的、具有更好相稳定性、更低烧结速率和导热系数的陶瓷材料是其中的关键。

②对现有涂层体系的材料及制备工艺的优化研究和机理研究，包括对Y黏结层的成分、YSZ陶瓷新的稳定氧化物的选择及涂层微观结构的改进和优化，以及对梯度涂层技术的进一步研究，从而提高涂层的工作温度、使用寿命和隔热性能。

③热障涂层隔热效果研究，通过实验模拟测试涂层的隔热情况即温度梯度，并结合传热学理论，根据涂层材料的导热系数、预期的隔热效果及热端部件的工作环境，为合理设计涂层厚度提供依据，也为涂层的改进提供方向。

④热障涂层寿命预测模型的进一步研究，若将热障涂层应用于涡轮发动机高危险部位，必须建立发动机寿命预测系统以保证安全。因此，进一步研究热障涂层剥落失效机理及服役条件下的力学行为等，建立较为完善的寿命预测模型，从而较为准确地评估涂层的服役寿命，为热障涂层的实际应用提供可靠的保障。

⑤发展新的涂层性能检测技术，尤其是无损检测技术，准确表征涂层与基体的结合力、涂层开裂程度、相变程度等性能，更好地实现对涂层质量的控制。

1，等离子喷涂法

2，电子束物理气相沉积法

3，超音速火焰喷涂

4，静电喷涂辅助气相沉积

5，激光熔覆法

热障涂层的主要制备技术包括:如磁控溅射、离子镀、电弧蒸镀、等离子喷涂技术（大气等离子、低压等离子喷涂技术）、电子束物理气相沉积（EB-PVD ） 。其中，应用最为广泛的当属等离子喷涂技术以及电子束物理气相沉积。

（1）大气等离子喷涂

大气等离子喷涂技术是最早应用于热障涂层制备的技术。它是以氢气、氮气、氢气等作为工作气体，经过电离产生等离子高温射流，随后粉末由送粉气体经过送粉管送入射流之中，进入射流中的粒子迅速被加热到熔化或熔融状态，最后以单个粒子为单位沉积到基体的表面形成层状堆积涂层的方法。

大气等离子喷涂技术制备的涂层比较疏松，有很多空穴和微裂纹，其孔隙率也较高。研究表明，疏松结构的热障涂层比致密结构的热障涂层在抗热冲击性能和隔热性能方面表现更好。从实际生产应用来看，大气等离子喷涂技术由于成本低、涂层制备方便、工艺成熟且沉积效率高等特点，在热障涂层的制备技术中一直有着明显的优势和良好的效果。

（2）低压等离子喷涂

低压等离子喷涂技术是上个七十世纪年代左右发展起来的一种新型的涂层制备技术。这种喷涂技术能够降低涂层中氧化物含量，同时获得的涂层组织形态也发生了新突破，即形成不同于传统层片状涂层结构的等轴晶涂层。由于低压等离子喷涂技术成本高，操作复杂，在实际的生产应用中占比较少。

（3）电子束物理气相沉积

电子束物理气相沉积（EB-PVD）技术主要是电子束技术和物理气相技术相互结合的产物。EB-PVD涂层制备的主要原理是:真空状态下，从电子枪发射高能量密度电子束，当电子束轰击在YSZ原料上时，YSZ原料会瞬间气化蒸发，随后原料蒸气在偏转磁场的作用下以原子或者分子的形式沉积到基体上，最终形成柱状组织结构的YSZ涂层。

EB-PVD制备出的柱状晶结构涂层虽然有利于提高涂层的抗热冲击性能，但由于柱状晶生长方向的组织过于致密，涂层的热导率会高于大气等离子喷涂制备的层片状结构的涂层。而且最主要的是EB-PVD技术对设备的要求高，价格昂贵，操作复杂，沉积效率低，技术难度大，工业应用受到了较大的限制。

美国NASA( Nat ionalAeronautics and Space Adm in istration) - Lewis研究中心为了提高燃气涡轮叶片、火箭发动机的抗高温和耐腐蚀性能,早在二十世纪50年代就提出了热障涂层概念。在涂层的材料选择和制备工艺上进行较长时间的探索后, 80年代初取得了重大突破,为热障涂层的应用奠定了坚实基础。文献表明, 先进热障涂层能够在工作环境下降低高温发动机热端部件温度170K左右。随着热障涂层在高温发动机热端部件上的应用, 人们认识到热障涂层的应用不仅可以达到提高基体抗高温腐蚀能力, 进一步提高发动机工作温度的目的,而且可以减少燃油消耗、提高效率、延长热端部件的使用寿命。与开发新型高温合金材料相比, 热障涂层的研究成本相对较低, 工艺也现实可行。

随着航空、航天及民用技术的发展，热端部件的使用温度要求越来越高，已达到高温合金和单晶材料的极限状况。以燃料轮机的受热部件如喷嘴、叶片、燃烧室为例，它们处于高温氧化和高温气流冲蚀等恶劣环境中，承受温度高达1100℃，已超过了高温镍合金使用的极限温度（1075℃）。将金属的高强度、高韧性与陶瓷的耐高温的优点结合起来所制备出的热障涂层能解决上述问题，它能起到隔热、抗氧化、防腐蚀的作用，已在汽轮机、柴油发电机、喷气式发动机等热端材料上取得一定应用，并延长了热端部件的使用寿命。

热障涂层可以明显降低基材温度、硬度高、化学稳定性好，具有防止高温腐蚀、延长热端部件使用寿命、提高发动机功率和减少燃油消耗等优点，TBCs的出现为大幅度改进航空发动机的性能开辟了新途径。自20世纪70年代以来，美国、英国、法国、日本等发达工业化国家都竞相发展TBCs涂层，并大量应用在叶片、燃烧室、隔热屏、喷嘴、火焰筒、尾喷管等航空发动机热端部件上。

热障涂层在我国航空发动机涡轮叶片上的应用研究已经开始并得到重视，已在某些涡轮叶片上喷涂出热障涂层，取得了阶段性成果。热障涂层技术的应用可以大幅提升发动机和地面燃气轮机的综合性能，延长其使用寿命，是高性能发动机和燃气轮机研制的关键技术之一，随着我国大飞机、地面燃气轮机、固体燃料发动机技术的不断进步，对热障涂层的需求将会越来越巨大，热障涂层将在航天、舰船、核工业、汽车等领域的热端部件上拥有广泛的应用前景。与此同时，热障涂层制造工艺及设备将得到不断改进，设计人员对带热障涂层的认识将更加全面，热障涂层工艺人员技术也将更加娴熟。

热障涂层系统要求涂层既有良好的隔热效果，又有抗高温氧化及热冲击性能。针对在腐蚀介质中的特殊要求，还要具有高温耐蚀性能。热障涂层的基本设计思想就是利用陶瓷的高耐热性、抗腐蚀性和低导热性，实现对基体合金材料的保护。热障涂层主要由陶瓷表层和结合底层所组成。

热障涂层不仅可以达到提高抗腐蚀能力，进一步提高发动机工作温度，而且可以减少燃油消耗(据估计近20%)、延长热端部件的使用寿命；与开发新的高温合金材料比较，热障涂层技术的研究发展成本要低得多，工艺也现实可行。因此，热障涂层技术成为未来发动机热端部件高温防护涂层技术的发展方向。另外，热障涂层在轮船、汽车、能源等领域的热端部件上也有着广泛的应用与研究。 2100433B

层级热障涂层中陶瓷层间的弱界面显著影响涂层内裂纹的萌生与扩展，不同弱界面裂纹的相互竞争将改变涂层系统的脱粘失效机制。本项目采用数值与试验相结合的方法，研究了热生长氧化物（TGO）形貌、涂层/基底蠕变、服役条件等因素对层级热障涂层应力演化的影响规律，获得了裂纹萌生机理；开发了多界面裂纹扩展数值算法，阐明了层级热障涂层组元特征对弱界面裂纹扩展行为的影响，建立了涂层系统增韧结构设计机制图。研究表明：（1）层级热障涂层在长时氧化过程中，由于高温蠕变的作用，将使涂层系统在高温下形成无应力状态，而在服役冷却阶段，残余应力几乎不受TGO生长的影响，TGO生长导致的非弹性变形才是涂层裂纹萌生的主要原因，而非传统认为的高温生长应力；（2）粗糙界面导致的应力集中主要集中在局部区域范围，当内陶瓷层厚度足够厚时（大于90 μm），TGO引起的应力集中区域与陶瓷层间粗糙界面的应力集中区域互不影响；（3）双陶瓷层热障涂层热震寿命、剥离速率及失效模式均与两层陶瓷层的厚度比密切相关，随着外陶瓷层与内陶瓷层厚度比增加，涂层系统的失效模式逐渐从外陶瓷层的层状剥落，转变成陶瓷层间弱界面附近处的剥离；（4）表面裂纹密度是影响层级热障涂层界面裂纹扩展行为的关键因素，当表面裂纹密度较低时，界面裂纹尖端驱动力对陶瓷层之间的材料性能和几何参数十分敏感，即陶瓷层总厚度较厚、外陶瓷层的厚度比较高、或外陶瓷层模量较高时，均会使得界面裂纹驱动力增加，导致涂层过早剥落；然而，当垂直裂纹密度足够高时，上述影响将会变的十分微弱；因此，在双陶瓷层热障涂层内主动预制足够密集的垂直裂纹，可允许使用更厚和刚度更高的外陶瓷层，从而获得更好的隔热性能;（5）当粘结层具有中等程度的断裂韧性时，陶瓷层内的垂直裂纹首先偏转进入陶瓷层与粘接层界面，在该界面裂纹扩展过程中，粘接层内会发生垂直裂纹萌生，使两个界面同时发生开裂，弱界面裂纹的竞争扩展可一定程度提高涂层应变容限。 2100433B

层级热障涂层是解决重型燃气轮机高温部件超高温热障的重要手段，陶瓷层级间的弱界面会对涂层系统的失效机理产生显著影响。因此，研究涂层中弱界面裂纹间的竞争机理对分析涂层系统失效至关重要。本项目以新型耐高温材料涂覆于传统陶瓷涂层上形成的双陶瓷层热障涂层为对象，发展处理异质材料界面多裂纹任意路径扩展数值算法，结合原位观测断裂实验，研究层级热障涂层中弱界面裂纹的萌生及扩展行为，考察层级组元的几何、材料、界面形貌等特征对弱界面裂纹扩展路径的影响机制，分析不同弱界面处裂纹裂尖驱动力的演变规律，揭示弱界面裂纹间的竞争机理，初步建立层级热障涂层失效准则。本项目的研究可为新型热障涂层结构设计和强度评价提供理论基础。

热障涂层，由于其隔热性好，抗氧化，耐腐蚀等优点，已经被广泛应用到发动机的涡轮叶片等热端部件上。热障涂层在制备过程中，制备工艺复杂，其工艺参数变化会直接影响热障涂层的厚度和孔隙率等结构性能，而其结构性能又直接影响其热障效果。因此，研究热障涂层的结构性能检测及健康监测具有重要的学术意义和工程实用价值。 本项目针对热障涂层结构特点，采用微波无损检测技术对涂层进行了结构性能检测研究。 其主要工作如下： (1) 建立了微波反射系数法检测热障涂层的理论模型。通过对理论模型的计算可知，利用微波信号的反射系数可以表征热障涂层中各介质层的厚度、与介电常数有关的物理特性、合金层表面的健康状况以及各层间的脱粘状况等。理论模型的研究表明，在检测中探头的特性、工作频率以及提离距离会影响检测灵敏度。 (2) 规则波导探头的参数敏感性分析。根据微波在波导中的传输条件，确定了波导中单模传播时波导尺寸与工作频率间的对应关系，以简化微波检测过程中模态分析的过程。根据微波在不同形状波导中的传播特点，以及检测空间分辨率的要求，分析了如何根据工作频率选择合适的波导探头；并分析了波导探头法兰对检测结果的影响。 (3) 微波检测热障涂层时检测参数的优化研究。利用CST微波工作室仿真软件对检测过程中工作频率和提离距离等参数进行了优化设计。在接触式检测中，主要对检测的工作频率进行了优化设计，根据优化的工作频率选择合适的波导探头进行无损检测以达到较高的检测灵敏度；在非接触式检测中，主要对提离距离进行了优化设计，为扫描检测时提离距离的选择奠定了理论基础。 (4) 微波检测热障涂层的试验研究。根据检测参数优化结果，利用网络分析仪E8363C对热障涂层的厚度和孔隙率进行了微波无损检测试验研究。研究结果表明：利用微波信号的反射系数相位差,在检测工作频率范围内可以很好地表征热障涂层厚度的变化;在敏感工作频率处，可以表征热障涂层孔隙率的变化。并对微波检测结果进行了标定。 (5) 热障涂层健康状况的毫米波无损检测研究。选用了多种型号的终端开口矩形波导作为探头，在毫米波波段对热障涂层系统中常见的缺陷进行了无损检测研究，检测中利用信号的反射系数相位差来表征被检测参数的变化。在毫米波段可以实现对热障涂层中裂缝、脱粘和TGO层的微波无损检测；利用高频率段的探头进行检测可以明显提高检测灵敏度。 2100433B