[科普中国]-热障涂层

热障涂层(Thermal Barrier Coatings)是一层陶瓷涂层，它沉积在耐高温金属或超合金的表面，热障涂层对于基底材料起到隔热作用，降低基底温度，使得用其制成的器件(如发动机涡轮叶片) 能在高温下运行，并且可以提高器件(发动机等)热效率达到60%以上。

定义美国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, 目前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。

应用随着航空、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。

目前，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。1

发展趋势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。根据目前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

制备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

目前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，目前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。

特点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。2

本词条内容贡献者为:

李斌 - 副教授 - 西南大学