热障涂层失效机理、改进方法及未来发展方向

摘要

热障涂层(Thermal Barrier Coatings, TBCs)是用于航空发动机及燃气轮机的一种高效功能性隔热涂层,常用材料为氧化钇(质量分数6%~8%)部分稳定氧化锆(YSZ)。首先,从TGO生长、高温烧结、CMAS腐蚀、盐雾腐蚀和热膨胀失配等方面介绍了YSZ的失效机理,以上因素会从不同程度上造成涂层分层、开裂乃至失效。其次,介绍了通过控制界面反应速度和元素扩散速度,改变涂层化学成分及结构等方法,改善YSZ性能。为适应下一代超高温热障涂层的发展要求,近年来,国内外针对制备工艺的改善和新材料性能进行了研究。通过调控等离子物理气相沉积的喷距,能得到不同微观结构的热障涂层,运用纳米粉体再造粒技术,能制备出抗热震性能、耐磨抗腐蚀性、韧性以及可加工性更为优异的纳米结构涂层。ABO_(3)型钙钛矿结构钡盐、钽酸盐、石榴石结构稀土铝酸盐、磁铅石结构稀土铝酸盐、独居石结构稀土磷酸盐等新型陶瓷层材料的研究是一大热点。与传统YSZ相比,新陶瓷层材料有优异的高温相稳定性、高热膨胀系数、高热导率等性能,但存在断裂韧性低、组分复杂等缺点。最后,为热障涂层未来研究指出了方向,并展望了其面临的挑战。