材料导报 2006年10月第20卷第10期 热障涂层材料研究进展 周洪,李飞,何博,王俊孙宝德 (上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室,上海200030 摘要简要概述了热障涂层材料的基本要求,介绍了国内外热障涂层材料近年来的研究状况和发展趋势。目前 广泛使用的是￥O3稳定ZrO2热障陶瓷材料及其粘结层材料,而稀土锆酸盐和稀土氧化物是非常有前景的隔热材料。 关键词热障涂层 MCrAly二氧化锆 Research Progresses in Materials for Thermal Barrier Coatings ZHOU Hong LI Fei, hE Bo, WaNgJun, SUn Baode (The State Key Laboratory of Metal Matrix Compo sitions, Shanghai J iaotong University, Shanghai 200030) Abstract Thermal barrier coatings TBCs)offer the potential to significantly improve efficiencies of aero e gines as well as gas turbine engines for power generation. State-of-the-art TBCs, typically consisting of an yttria stabi- lized zirconia top coat and a metallic bond coat, have been widely used to prolong lifetime no wadays. In the paper, re- search status and progresses of materials for thermal barrier coatings are briefly reviewed. Except yttria stabilized zir- conia, other materials such as lant hanum zirconate and rare earth oxides are al so promising materials for thermal barrier coating y words thermal barrier coatings, MCrAlY zirconia 0引言 低密度、高热反射率等重要物理化学特征,同时要考虑其热膨胀 系数与基体材料相匹配。另外,针对高温部件氧化腐蚀的问题, 热障涂层( Thermal barrier coatings,简称TBCs)通常是指应当考虑低烧结率、界面反应和抗高温氧化腐蚀等因素。 沉积在金属表面、具有良好隔热效果的陶瓷涂层,主要用来降低 陶瓷材料具有离子键或共价键结枃,键能高,因此熔点高 基体的工作温度,免受高温氧化、腐蚀、磨损。美国NASAˉ硬度高化学性能稳定,是热障涂层的理想材料。但韧性、抗疲 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劳性和抗热震性较差,对应力集中和裂纹敏感。目前使用的热 耐腐蚀性能,早在20世纪50年代就提出了热障涂层概念。在障涂层陶瓷材料多为金属氧化物,这是因为金属氧化物陶瓷的 涂层材料选择和制备工艺上进行较长时间的探索后,80年代初导热以声子传导和光子传导机理为主,热导率较低且其涂层在 取得了重大突破,为热障涂层的应用奠定了坚实基础。文献表富氧环境中具有良好的高温稳定性。常用氧化物陶瓷的导热 明,目前先进陶瓷热障涂层能在工作环境下降低零件温度顺序为1 170℃左右-。随着热障涂层在高温发动机热端部件上的应 Beo> MgO> Al2 O3 >Cao> Zroz 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 常用热障涂层陶瓷材料有Al2O3、ZrO2、SiO2等,主要性能 腐蚀能力,进 发动机工作温度的目的,而且可以减少燃如表1所示{6,-0。 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 研究表明12121,ZrO2是目前应用广泛、综合性能最好 合金材料相比,热障涂层的研究成本要低得多,工艺也现实可的热障涂层材料。它具有高熔点耐高温氧化、良好的高温化学 稳定性、较低且稳定的热传导率和优良的抗热震性等特性,并且 1热障涂层系统材料体系 热膨胀系数接近金属材料。纯ZrO2具有同素异晶转变,常温 下稳定相为单斜结构;高温下稳定相则为立方结构 高温隔热涂层的研究发展经历了数十年。20世纪60年代 研制出BNiA基铝化物涂层,但其脆性大,A元素向基体扩散 正方相()2立方相() 单斜相(m)<50℃ 快,寿命短;之后出现了加入Cr、Ti、Si、Y、Ta、Pt等元素改进的 单斜相与四方相间转化因伴有3%~6%的体积分数变化 铝化物涂层,其中镀P渗A形成的铂铝涂层具有较长的寿命。而导致热应力产生,因此,使用纯ZO2制备的热障涂层不稳 目前普遍使用的热障涂层系统是以 MCrAlY(M=NiCo,Fe,Ni定。为避免这个缺点,可采用MgO、CaO、CeO2、Se2O3、hn2O3 +Co)高温抗氧化合金为中间粘结层,表面覆盖Y2O3稳定的Y2O3等氧化物来稳定ZO2,起到相变增韧的效果。最早使 ZrO2陶瓷隔热涂层1列 用的是22%MgO完全稳定的ZrO2,在热循环过程中MgO会从 1.1热障涂层陶瓷材料 固溶体中析出,使涂层热导率提高,降低了涂层的隔热性能。 热障涂层材料需要县有难熔、化学惰性、相稳定和低热导、CaO对ZO2的稳定也不好,在燃气的硫化作用下,CaO从涂层 2005民口配套项目 周洪:男,1972年生,博士生,讲师,主要从事材料表面技术的研究工作Emailzhouhong@sjtu.edu.cn 201994-2007ChinaAcademicJOurnalElectronicPublishingHouseaLlrightsreservedhttp:/wnw.cnki.ner
3 2005 民口配套项目 周洪 :男 ,1972 年生 ,博士生 ,讲师 ,主要从事材料表面技术的研究工作 E2mail :zhouhong @sjtu. edu. cn 热障涂层材料研究进展3 周 洪 ,李 飞 ,何 博 ,王 俊 ,孙宝德 (上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室 ,上海 200030) 摘要 简要概述了热障涂层材料的基本要求 ,介绍了国内外热障涂层材料近年来的研究状况和发展趋势。目前 广泛使用的是 Y2O3 稳定 ZrO2 热障陶瓷材料及其粘结层材料 ,而稀土锆酸盐和稀土氧化物是非常有前景的隔热材料。 关键词 热障涂层 MCrAl Y 二氧化锆 Research Progresses in Materials for Thermal Barrier Coatings ZHOU Hong ,L I Fei , H E Bo ,WAN G J un ,SUN Baode ( The State Key Laboratory of Metal Matrix Compositions ,Shanghai Jiaotong University ,Shanghai 200030) Abstract Thermal barrier coatings( TBCs) offer the potential to significantly improve efficiencies of aero en2 gines as well as gas turbine engines for power generation. State2of2the2art TBCs ,typically consisting of an yttria2stabi2 lized zirconia top coat and a metallic bond coat ,have been widely used to prolong lifetime nowadays. In the paper ,re2 search status and progresses of materials for thermal barrier coatings are briefly reviewed. Except yttria stabilized zir2 conia ,other materials such as lanthanum zirconate and rare earth oxides are also promising materials for thermal barrier coatings. Key words thermal barrier coatings ,MCrAl Y ,zirconia 0 引言 热障涂层 ( Thermal barrier coatings ,简称 TBCs) 通常是指 沉积在金属表面、具有良好隔热效果的陶瓷涂层 ,主要用来降低 基体的工作温度 ,免受高温氧化、腐蚀、磨损。美国 NASA2 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 20 世纪 50 年代就提出了热障涂层概念。在 涂层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 ,目前先进陶瓷热障涂层能在工作环境下降低零件温度 170 ℃左右[1～3 ] 。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要低得多 ,工艺也现实可 行[2 ,4 ] 。 1 热障涂层系统材料体系 高温隔热涂层的研究发展经历了数十年。20 世纪 60 年代 研制出β2NiAl 基铝化物涂层 ,但其脆性大 ,Al 元素向基体扩散 快 ,寿命短 ;之后出现了加入 Cr、Ti、Si、Y、Ta、Pt 等元素改进的 铝化物涂层 ,其中镀 Pt 渗 Al 形成的铂铝涂层具有较长的寿命。 目前普遍使用的热障涂层系统是以 MCrAl Y(M = Ni ,Co ,Fe ,Ni + Co) 高温抗氧化合金为中间粘结层 ,表面覆盖 Y2O3 稳定的 ZrO2 陶瓷隔热涂层[5 ,6 ] 。 111 热障涂层陶瓷材料 热障涂层材料需要具有难熔、化学惰性、相稳定和低热导、 低密度、高热反射率等重要物理化学特征 ,同时要考虑其热膨胀 系数与基体材料相匹配。另外 ,针对高温部件氧化腐蚀的问题 , 应当考虑低烧结率、界面反应和抗高温氧化腐蚀等因素。 陶瓷材料具有离子键或共价键结构 ,键能高 ,因此熔点高、 硬度高、化学性能稳定 ,是热障涂层的理想材料。但韧性、抗疲 劳性和抗热震性较差 ,对应力集中和裂纹敏感。目前使用的热 障涂层陶瓷材料多为金属氧化物 ,这是因为金属氧化物陶瓷的 导热以声子传导和光子传导机理为主 ,热导率较低且其涂层在 富氧环境中具有良好的高温稳定性[7 ] 。常用氧化物陶瓷的导热 顺序为[8 ] : BeO > MgO > Al2O3 > CaO > ZrO2 常用热障涂层陶瓷材料有 Al2O3 、ZrO2 、SiO2 等 ,主要性能 如表 1 所示[6 ,8～10 ] 。 研究表明[1 ,2 ,4 ,9～12 ] ,ZrO2 是目前应用广泛、综合性能最好 的热障涂层材料。它具有高熔点、耐高温氧化、良好的高温化学 稳定性、较低且稳定的热传导率和优良的抗热震性等特性 ,并且 热膨胀系数接近金属材料。纯 ZrO2 具有同素异晶转变 ,常温 下稳定相为单斜结构 ;高温下稳定相则为立方结构 : 单斜相(m) 1170 ℃ 950 ℃ 正方相 (t) 2370 ℃ 立方相(c) 单斜相与四方相间转化因伴有 3 %～6 %的体积分数变化 而导致热应力产生 ,因此 ,使用纯 ZrO2 制备的热障涂层不稳 定。为避免这个缺点 ,可采用 MgO、CaO、CeO2 、Sc2O3 、In2O3 、 Y2O3等氧化物来稳定 ZrO2 ,起到相变增韧的效果[8 ] 。最早使 用的是 22 %MgO 完全稳定的 ZrO2 ,在热循环过程中 MgO 会从 固溶体中析出 ,使涂层热导率提高 ,降低了涂层的隔热性能。 CaO 对 ZrO2 的稳定也不好 ,在燃气的硫化作用下 ,CaO 从涂层 · 04 · 材料导报 2006 年 10 月第 20 卷第 10 期 © 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
热障涂层材料研究进展/周洪等 ·41· 中析出,降低了对ZrO2的稳定作用。目前广泛使用的稳定致纳米涂层力学性能出现明显的“双态效应叫。此外,由于 剂是Y2O3。Y2O3含量对ZrO2热导率的影响不大,密实的TBCs的使用温度通常在1000℃以上,在高温下TBCs是否能 Y2O3稳定ZrO2中由于具有大量的氧空位、置换原子等点缺保持其超细晶结构,是TBCs纳米化可行与否的一个重要环节 陷,对声子形成散射,因而热导率低。加入12%~20%的Y2O3研究表明,单相纳米Al2O3经1000℃长期退火后晶粒尺寸基本 得到完全稳定的O2立方相,可以避免高温工作过程中单斜/保持不变 jiang等将超音速火焰喷涂制备的纯金属纳米镍 正方相的转变 粉在1000℃下保温1h,其尺寸也保持在100nm左右。而作 表1热障涂层陶瓷材料及其主要性能 为TBCs面层的Y2O3ZrO2(YSZ为多相结构,其稳定性比单 Table 1 Major physical properties of ceramic as TBCs 相陶瓷更加优异。有研究表明,采用粉末烧结法制备的纳米 YSZ块体陶瓷,在1400℃以下基本无晶粒长大,即使在1450℃ 材料熔点,℃密度导热系数(室温)热膨系数弹性模量变形处理,陶瓷品粒也保持在500m以下,反映出纳米YSz陶 gcm3W(m:810℃a-瓷具有较好的热稳定性凹。 8YS270056212 空心球形粉末具有流动性好、熔化特性高、沉积率高等优 2SiO218103.156 点。涂层中存在较高的闭气孔率,可使涂层中的平均热导率下 Al2O320403.99 8.0372 降,兼具较好的抗热冲击性能。柯培玲等采用爆炸喷涂制备了 0205602310-13010—空心球形氧化锆热障涂层发现空心球形陶瓷涂层内气孔微裂 Lay Zr, O7 2300 纹多,分布均匀,这减小了陶瓷层的杨氏模量,有利于提高热冲 SiO217132.321.9 击性能,使涂层中的平均热导率下降30 2070 为寻找适合更高温度的热障涂层材料,国内外学者在采用 BaZrO3 2690 Y2O3部分稳定的ZO2基础上,对ZO2(Y2O3)+HfO2、ZrO2 w(Y2O3)=86部分稳定的ZrO2 (Y2O3)+ CeO2, ZrO2(Y2O3)+ SiO2, ZrO2(Y2O3)+ Sc20 等材料的性能进行了研究取得了较大进展结果表明加入多 研究表明:采用w(Y0O3)=6%~8%部分稳定的zO2种氧化物特别是CeO2的热障涂层具有更好的热循环性 (YS具有最高的热冲击性能田。这是由于一方面加热过能52。NASA近来发展了HO2YO3热障涂层,并在实验 程中部分稳定的zO2中单斜相转变为正方相并伴随体积收室中成功地得到等离子喷涂的HO2-Y2O3热障涂层P。Se 缩,而立方相则随温度的升高而膨胀,体积内的收缩与膨胀相互 cura研究了8wt%Yb2O3稳定的ZrO2,发现在同等条件下涂层 抵消一部分,从而降低了热应力,产生了良好的抗热震性;另一 方面,YO3部分稳定的ZrO2在加热冷却过程中发生微量相的寿命比YSz提高近30%21 变,吸收了能量,降低了裂纹扩展的能力,加上涂层内部本身具 另外,人们开始寻求具有更低导热系数的绝热材料。新材 有的垂直微裂纹、孔洞等缺陷,降低了涂层材料的弹性模量,并 料的探索最初着眼于具有与ZrO2相似结构的氧化物上,例如 具有萤石结构的HfO2、CeO、ThO2等。研究过程中,稀土错酸 通过自由膨胀和收缩来缓解释放中间粘结层与陶瓷层因热膨胀盐类材料AB2O7(A= La nd sm、GdDy、F、Yb等稀士元素 系数不匹配而产生的热应力,达到增韧效果,从而提高材料的抗 热震性与寿命。 B=Zr、Ce等)逐渐成为人们关注的焦点。稀土锆酸盐材料晶体 内部具有比YSZ更多的空位,更复杂的晶胞结构,而且晶胞中 YSZ组成相为:相+少量m相+c相。喷涂过程中,由于含有质量较大的稀土原子,从而大大增加了声子的散射,导致声 陶瓷涂层迅速冷却(冷却速度可达100℃s)而形成大量的非平 相不会发生马氏体相变,具有更稳定的性能其子平均自由程减小,使材料导热系数比YSZ更低 有数据 衡正方相t’。t 临界分解温度为1200℃。非平衡相t'在1200℃下可较稳定存 表明,稀士锆酸盐材料在700~1200℃之间的导热系数为1.1 1.7W·m·K,高温下相和化学组成更稳定。 Hassen 烧结等现象,导热系数增大,界面热应力增大。1相在冷却过程系数和烧结活性14下依然保持相稳定状态但热膨胀系数 普通喷涂用YSz粉末多为实心微米材料。随着科技的发小抗热震性较差。JeWu等研究了烧绿石和萤石结构的 展,YSz粉末材料的形态也呈现多样化,纳米团聚粉末微纳米CzO与萤石结构的a15cO-8502材料,结果表明 复合团聚粉末、空心球形粉末等为热障涂层材料的开发应用开其导热率比普通的7YSZ低30%。但Gd2Zr2O7在高温下与a 辟了又一片天地 Al2O3发生反应,而015GdO-0.85ZO2则具有更好的高温稳 纳米材料本身具有量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应等定性 独特性,使其具有极大的潜在应用价值。与常规结构陶瓷相比 热障陶瓷涂层的厚度一般在100~500μm之间,涂层隔热 纳米陶瓷具有比热大、热导率低、热膨胀系数大、弹性模量小结效果随厚度的增加而增加,但结合强度随厚度的增加而下降,抗 合强度高等特点涂层显微结构显示出晶粒堆积紧密、气孔率低热震性亦下降。随着技术水平的提高更厚的热障涂层不断被 且结合性能较好,这些对于制备高性能TBCs极为有利。制备出来。 Pasture等采用溶浆等离子喷涂方法制备出4mm厚 Neh等对YO3稳定的正方ZO2的研究表明,当其晶粒尺寸小的YsZ热障涂层。H.B.Gu用大气等离子喷涂方法制备 于300nm时,超塑性可变形达到800% 1.5mm厚的YSZ涂层,涂层中分布细小环状微裂纹网,测得 由于纳米粉体颗粒尺寸小、比表面积大、质量轻流动性差、1200℃的热导率为1.75w·m1·K1,1238℃下抗热震次数 喷涂过程中易飘散,因此必须先进行团聚处理而且在喷涂过程达1770次,中间粘结层的热氧化物生长不再是导致涂层失效的 中,为保持原纳米特性,粉末颗粒应当只发生部分熔化,从而导主要原因 201994-2007ChinaAcademicJOurnalElectronicPublishingHouseAllrightsreservedhttp:/wwws.cnki.net
中析出 ,降低了对 ZrO2 的稳定作用[9 ] 。目前广泛使用的稳定 剂是 Y2O3 。Y2O3 含量对 ZrO2 热导率的影响不大 ,密实的 Y2O3 稳定 ZrO2 中由于具有大量的氧空位、置换原子等点缺 陷 ,对声子形成散射 ,因而热导率低。加入 12 %～20 %的 Y2O3 得到完全稳定的 ZrO2 立方相 ,可以避免高温工作过程中单斜/ 正方相的转变。 表 1 热障涂层陶瓷材料及其主要性能 Table 1 Major physical properties of ceramic as TBCs 材料 熔点 , ℃ 密度 g/ cm 3 导热系数 (室温) W/ (m ·K) 热膨胀系数 10 - 6 / ℃ 弹性模量 GPa 8 YSZ 3 2700 516 2112 1017 2 3Al2O3 ·2SiO2 1810 31156 313 415 147 α2Al2O3 2040 3199 21 8. 0 372 ZrO2 2700 5160 213 1110～1310 140 La2 Zr2O7 2300 2 1156 9. 1 175 SiO2 1713 2132 1159 5 2 LaPO4 2070 2 118 1015 133 BaZrO3 2690 2 3142 8. 1 181 3 w ( Y2O3 ) = 8 部分稳定的 ZrO2 研究表明 :采用 w ( Y2O3 ) = 6 %～8 %部分稳定的 ZrO2 ( YSZ) 具有最高的热冲击性能[12～14 ] 。这是由于一方面 ,加热过 程中部分稳定的 ZrO2 中单斜相转变为正方相并伴随体积收 缩 ,而立方相则随温度的升高而膨胀 ,体积内的收缩与膨胀相互 抵消一部分 ,从而降低了热应力 ,产生了良好的抗热震性 ;另一 方面 , Y2O3 部分稳定的 ZrO2 在加热、冷却过程中发生微量相 变 ,吸收了能量 ,降低了裂纹扩展的能力 ,加上涂层内部本身具 有的垂直微裂纹、孔洞等缺陷 ,降低了涂层材料的弹性模量 ,并 通过自由膨胀和收缩来缓解释放中间粘结层与陶瓷层因热膨胀 系数不匹配而产生的热应力 ,达到增韧效果 ,从而提高材料的抗 热震性与寿命[6 ,8 ] 。 YSZ组成相为 :t 相 + 少量 m 相 + c 相。喷涂过程中 ,由于 陶瓷涂层迅速冷却(冷却速度可达 100 ℃/ s) 而形成大量的非平 衡正方相 t’。t’相不会发生马氏体相变 ,具有更稳定的性能 ,其 临界分解温度为 1200 ℃ 。非平衡相 t’在 1200 ℃下可较稳定存 在 ;1200 ℃以上 ,转变为平衡相 t ,并伴有晶粒长大、微气孔收缩、 烧结等现象 ,导热系数增大 ,界面热应力增大。t 相在冷却过程 中会进一步向 m 相转变 ,易导致涂层中出现裂纹、剥落[5 ,15 ] 。 普通喷涂用 YSZ 粉末多为实心微米材料。随着科技的发 展 , YSZ粉末材料的形态也呈现多样化 ,纳米团聚粉末、微纳米 复合团聚粉末、空心球形粉末等为热障涂层材料的开发应用开 辟了又一片天地。 纳米材料本身具有量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应等 独特性 ,使其具有极大的潜在应用价值。与常规结构陶瓷相比 , 纳米陶瓷具有比热大、热导率低、热膨胀系数大、弹性模量小、结 合强度高等特点 ,涂层显微结构显示出晶粒堆积紧密、气孔率低 且结合性能较好[16 ] ,这些对于制备高性能 TBCs 极为有利。 Nieh 等对 Y2O3 稳定的正方 ZrO2 的研究表明 ,当其晶粒尺寸小 于 300nm 时 ,超塑性可变形达到 800 % [17 ] 。 由于纳米粉体颗粒尺寸小、比表面积大、质量轻、流动性差、 喷涂过程中易飘散 ,因此必须先进行团聚处理 ,而且在喷涂过程 中 ,为保持原纳米特性 ,粉末颗粒应当只发生部分熔化 ,从而导 致纳米涂层力学性能出现明显的“双态效应”[18 ] 。此外 ,由于 TBCs 的使用温度通常在 1000 ℃以上 ,在高温下 TBCs 是否能 保持其超细晶结构 ,是 TBCs 纳米化可行与否的一个重要环节。 研究表明 ,单相纳米 Al2O3 经 1000 ℃长期退火后晶粒尺寸基本 保持不变[19 ] ;Jiang 等将超音速火焰喷涂制备的纯金属纳米镍 粉在 1000 ℃下保温 1h ,其尺寸也保持在 100nm 左右[20 ] 。而作 为 TBCs 面层的 Y2O32ZrO2 ( YSZ) 为多相结构 ,其稳定性比单 相陶瓷更加优异。有研究表明 ,采用粉末烧结法制备的纳米 YSZ块体陶瓷 ,在 1400 ℃以下基本无晶粒长大 ,即使在 1450 ℃ 变形处理 ,陶瓷晶粒也保持在 500nm 以下 ,反映出纳米 YSZ 陶 瓷具有较好的热稳定性[21 ] 。 空心球形粉末具有流动性好、熔化特性高、沉积率高等优 点。涂层中存在较高的闭气孔率 ,可使涂层中的平均热导率下 降 ,兼具较好的抗热冲击性能。柯培玲等采用爆炸喷涂制备了 空心球形氧化锆热障涂层 ,发现空心球形陶瓷涂层内气孔、微裂 纹多 ,分布均匀 ,这减小了陶瓷层的杨氏模量 ,有利于提高热冲 击性能 ,使涂层中的平均热导率下降 30 % [22 ] 。 为寻找适合更高温度的热障涂层材料 ,国内外学者在采用 Y2O3 部分稳定的 ZrO2 基础上 ,对 ZrO2 ( Y2O3 ) + HfO2 、ZrO2 ( Y2O3 ) + CeO2 、ZrO2 ( Y2O3 ) + SiO2 、ZrO2 ( Y2O3 ) + Sc2O3 等材料的性能进行了研究 ,取得了较大进展[3 ] ,结果表明加入多 种氧化物特别是 CeO2 的 热 障 涂层 具 有 更好 的 热 循环 性 能[3 ,15 ,23 ] 。NASA 近来发展了 HfO22Y2O3 热障涂层 ,并在实验 室中成功地得到等离子喷涂的 HfO22Y2O3 热障涂层[3 ] 。Ste2 cura 研究了 8wt %Yb2O3 稳定的 ZrO2 ,发现在同等条件下涂层 的寿命比 YSZ提高近 30 % [24 ] 。 另外 ,人们开始寻求具有更低导热系数的绝热材料。新材 料的探索最初着眼于具有与 ZrO2 相似结构的氧化物上 ,例如 具有萤石结构的 HfO2 、CeO2 、ThO2 等。研究过程中 ,稀土锆酸 盐类材料 A2B2O7 (A = La、Nd、Sm、Gd、Dy、Er、Yb 等稀土元素 , B = Zr、Ce 等) 逐渐成为人们关注的焦点。稀土锆酸盐材料晶体 内部具有比 YSZ更多的空位 ,更复杂的晶胞结构 ,而且晶胞中 含有质量较大的稀土原子 ,从而大大增加了声子的散射 ,导致声 子平均自由程减小 ,使材料导热系数比 YSZ更低[25 ,26 ] 。有数据 表明 ,稀土锆酸盐材料在 700～1200 ℃之间的导热系数为 111～ 117 W ·m - 1 ·K - 1 ,高温下相和化学组成更稳定[10 ,26 ] 。Vassen 等的研究表明烧绿石结构的 La2 Zr2O7 具有高熔点、更低的导热 系数和烧结活性 ,1400 ℃下依然保持相稳定状态 ,但热膨胀系数 小 ,抗热震性较差[27 ] 。Jie Wu 等研究了烧绿石和萤石结构的 Gd2 Zr2O7 与萤石结构的 0115 Gd2O320185ZrO2 材料 ,结果表明 其导热率比普通的 7 YSZ 低 30 %。但 Gd2 Zr2O7 在高温下与α2 Al2O3 发生反应 ,而 0115 Gd2O320185ZrO2 则具有更好的高温稳 定性[28 ] 。 热障陶瓷涂层的厚度一般在 100～500μm 之间 ,涂层隔热 效果随厚度的增加而增加 ,但结合强度随厚度的增加而下降 ,抗 热震性亦下降。随着技术水平的提高 ,更厚的热障涂层不断被 制备出来。Padture 等采用溶浆等离子喷涂方法制备出 4mm 厚 的 YSZ热障涂层[29 ] 。H. B. Guo 用大气等离子喷涂方法制备了 115mm 厚的 YSZ 涂层 ,涂层中分布细小环状微裂纹网 ,测得 1200 ℃的热导率为 1175 W ·m - 1 ·K - 1 ,1238 ℃下抗热震次数 达 1770 次 ,中间粘结层的热氧化物生长不再是导致涂层失效的 主要原因[30 ] 。 热障涂层材料研究进展/ 周 洪等 · 14 · © 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
42 材料导报 2006年10月第20卷第10期 1.2粘结层材料 的选择性氧化,有利于陶瓷层与粘结层界面处Al2O3保护膜的 由于陶瓷层脆性大,与金属基体热膨胀系数不匹配等原因,形成和生长,并阻碍粘结层元素向外扩散。 通常在陶瓷层与金属基体间加入中间粘结层( Bond Coating)以2热障涂层系统结构体系 改善陶瓷与金属的物理相容性,起到抗氧化腐蚀和使陶瓷层与 金属基体紧密结合的作用。粘结层的成分对粘结层在热循环过 目前,热障涂层主要有3种结构:双层系统、多层系统和梯 程中热氧化物的生长速度、成分、完整性、与基体的结合力和剥度系统如图1所示 落行为有着决定性的作用。粘结层材料应当不形成脆性相,并 能与基体金属形成良好的界面扩散阻力,以减少服役过程中基 体或粘结层性能的退化。 选用具有抗高温氧化的 MCrAlY合金作为热障涂层 与基体间的粘结层,这里的M通常是Fe、CO、Ni或NiCo。Co 的抗热腐蚀性能优于Ni,Ni的抗氧化性好过Co,NCo组合具 有最佳的韧性。TA. Talor对多种成分的 MCrAIY进行了研 )双层系统(b)多层系统 (c)梯度系统 究,结果表明 NICrAly合金比 NICOCrAly成分变化的合金的 热膨胀系数低,可减轻与YSZ涂层的热不匹配,预期会产生更 热障陶瓷层 粘结层 基体合金 长的使用寿命。粘结层的选择取决于工作环境,不受基体成 图1热障涂层结构 分限制且厚度可以调控。 MCrALY涂层抗氧化机理是通过在高 Fig. 1 The structure system of thermal barrier coatings 温环境中,粘结层与陶瓷层之间形成一层致密的保护性氧化物 双层系统外层为热障陶瓷层,中间为粘结层。这种双层结 膜(通常是Al2O3和Cr2O3)来防止外界有害气体向金属基体内构制备工艺简单,具有良好的抗氧化隔热作用。但粘结底层与 与ZrO2的单斜相或立方相发生化学反应,降低ZrO2陶瓷的热用下,在涂层内部将产生较大应力,使抗热震性能难以得到进 稳定性因此 FeCrAly、CoC'rAIY较少用作热障涂层的粘结层,步提高。陶瓷层越厚,涂层的隔热效果越强,相应地涂层与基材 而更多地是采用抗氧化抗热腐蚀综合性能良好的 NICoCrAly的温度差越高,在界面处产生的热应力越大,越易于剥落 系列2,3 多层系统是在双层基础上多加了几层封阻层或隔热层。在 今粘结层中,NCo是基体元素,Cr、A可起到固溶强化的作高温工作环境中封阻层可以阻止外部腐蚀性介质侵蚀粘结层 A是生成Y(NiA强化相和A2O3的必需元素高A含降低氧通过陶瓷层向粘结层的扩散速度,从而使这种多层结构 量能延长高温氧化条件下涂层的寿命,但使脆性增加。因此能有效地防止粘结层氧化。 Schmitt- Thomas等通过在 MCrAlY MCrAlY合金中A的质量分数控制在8%~12%,并向低铝方上喷涂2~5um的AO3封阻层,降低了粘结层的氧化,并且提 向发展。组元Cr主要用来提高粘结层的抗氧化性和抗硫化性 高了陶瓷层与中间层的结合力。但这种系统对抗热震性能 高温条件下,粘结层中A优先氧化完毕后,Cr继续在AL2O3膜改善不大,且热力学行为和制备工艺比较复杂,因而逐渐被梯度 与粘结层之间形成CnO3膜,起到屏蔽基体合金的作用,并促涂层所取代。此外有研究表明在YSz涂层上部覆盖导热系数 进AO3膜的生成,但Cr会降低涂层的韧性,应在保证抗氧化更低的陶瓷涂层CeO2或La2Zm2O7多层系统,具有更好的抗热 及抗腐蚀性的前提下,使Cr含量尽可能低。组元Y质量分数性能 一般在1%以下,起到细化晶粒、提高A2O3膜与基体结合力的 梯度系统( Functionally graded coatings,简称FGC)是在陶 作用,可改善涂层的热震性。粘结层中还可以添加其他元素,如瓷层和基体之间采用成分、结构连续变化的一种系统。它可以 Re、Th、Si、Hf、Ta等以改善涂层的力学性能和抗氧化性能。减小陶瓷层与粘结底层因热膨胀系数不同而引起的热应力,提 N. Czech等在 MCrAIY合金中加入Re,提高了粘结层的高温 高涂层的结合强度和抗热震性能。梯度涂层消除了层状结构的 抗氧化能力和热疲劳寿命叫。S能显著降低涂层的粘结力,应明显层间界面,使涂层内部的力学性能和线膨胀系数连续过渡 当严格控制131 因此得到广泛重视。乌克兰 Paton焊接研究所 Movchan等采 用 EB-PVD工艺制备的梯度热障涂层的抗热震性能得到了改 MCAY涂层中相组成主要为y相+BNiA金属间化合善,而且与金属基体具有更高的粘结强度。KmJ.H.采 物。高温下形成热生长氧化物( Thermally Grown Oxide,简称 用爆炸喷涂技术制备了YSZ/ NiCrAlY梯度热障涂层,其抗热 TGO)AO3膜后,A含量减少PNA转变为y”强化相。当震性优于双层结构叫1。郭洪波采用BPVD制备的A2O YSZ梯度热障涂层,具有优良的抗高温氧化性和热腐蚀性,在 粘结层和TBCs之间的热生长氧化物TGO是产生应力、导致涂1050℃下热震次数达到了70次以上 层失效的根本原因之一,因此在高温下获得连续的A2O3膜, 可阻碍氧离子向粘结层的氧化速度,延长热障涂层的使用寿命。3结语 目前采用的方法有:改变粘结层的成分,加入SiNb等微量元素 随着人们对高温零件工作要求的不断提高,高性能可靠的 或采用内层低铝、外层高铝的结构;可对粘结层进行预处理,如热障涂层研究将不断深入下去。选用更好的氧化锆稳定剂,进 渗铝、预氧化、激光重熔,在粘结层上直接制备扩散阻挡层等 步提高热障涂层的抗热震性,是未来高性能热障涂层研究热 武颖娜等采用爆炸喷涂制备了 NICTAIYI NIAl YSZ体系的热点之一。寻求更高性能的陶瓷表面涂层,突破YSZ系热障涂层 障涂层,其具有明显的抗氧化作用,NiA扩散阻挡层可促进A的寿命极限,降低热障涂层的热导率,提高陶瓷涂层的热膨胀系 201994-2007ChinaAcademicJOurnalElectronicPublishingHouseaLlrightsreservedhttp:/nnws.cnki.ne
112 粘结层材料 由于陶瓷层脆性大 ,与金属基体热膨胀系数不匹配等原因 , 通常在陶瓷层与金属基体间加入中间粘结层(Bond Coating) 以 改善陶瓷与金属的物理相容性 ,起到抗氧化腐蚀和使陶瓷层与 金属基体紧密结合的作用。粘结层的成分对粘结层在热循环过 程中热氧化物的生长速度、成分、完整性、与基体的结合力和剥 落行为有着决定性的作用。粘结层材料应当不形成脆性相 ,并 能与基体金属形成良好的界面扩散阻力 ,以减少服役过程中基 体或粘结层性能的退化[9 ] 。 通常选用具有抗高温氧化的 MCrAl Y 合金作为热障涂层 与基体间的粘结层 ,这里的 M 通常是 Fe、Co 、Ni 或 NiCo 。Co 的抗热腐蚀性能优于 Ni ,Ni 的抗氧化性好过 Co ,NiCo 组合具 有最佳的韧性。T. A. Talor 对多种成分的 MCrAl Y 进行了研 究 ,结果表明 NiCrAl Y 合金比 NiCoCrAl Y 成分变化的合金的 热膨胀系数低 ,可减轻与 YSZ 涂层的热不匹配 ,预期会产生更 长的使用寿命[31 ] 。粘结层的选择取决于工作环境 ,不受基体成 分限制且厚度可以调控。MCrAl Y涂层抗氧化机理是通过在高 温环境中 ,粘结层与陶瓷层之间形成一层致密的保护性氧化物 膜(通常是 Al2O3 和 Cr2O3 ) 来防止外界有害气体向金属基体内 部扩散 ,从而延长涂层的寿命。由于 Fe2O3 、CoO 等在高温下易 与 ZrO2 的单斜相或立方相发生化学反应 ,降低 ZrO2 陶瓷的热 稳定性 ,因此 FeCrAl Y、CoCrAl Y较少用作热障涂层的粘结层 , 而更多地是采用抗氧化、抗热腐蚀综合性能良好的 NiCoCrAl Y 系列[9 ,32 ,33 ] 。 粘结层中 ,Ni、Co 是基体元素 ,Cr、Al 可起到固溶强化的作 用。Al 是生成γ’(Ni3 Al) 强化相和 Al2O3 的必需元素 ,高 Al 含 量能延长高温氧化条件下涂层的寿命 ,但使脆性增加。因此 MCrAl Y 合金中 Al 的质量分数控制在 8 %～12 % ,并向低铝方 向发展。组元 Cr 主要用来提高粘结层的抗氧化性和抗硫化性。 高温条件下 ,粘结层中 Al 优先氧化完毕后 ,Cr 继续在 Al2O3 膜 与粘结层之间形成 Cr2O3 膜 ,起到屏蔽基体合金的作用 ,并促 进 Al2O3 膜的生成 ,但 Cr 会降低涂层的韧性 ,应在保证抗氧化 及抗腐蚀性的前提下 ,使 Cr 含量尽可能低。组元 Y 质量分数 一般在 1 %以下 ,起到细化晶粒、提高 Al2O3 膜与基体结合力的 作用 ,可改善涂层的热震性。粘结层中还可以添加其他元素 ,如 Re、Th、Si、Hf 、Ta 等以改善涂层的力学性能和抗氧化性能[7 ] 。 N. Czech 等在 MCrAl Y合金中加入 Re ,提高了粘结层的高温 抗氧化能力和热疲劳寿命[34 ] 。S 能显著降低涂层的粘结力 ,应 当严格控制[35 ] 。 MCrAl Y涂层中相组成主要为γ相 +β2NiAl 金属间化合 物。高温下形成热生长氧化物 ( Thermally Grown Oxide ,简称 TGO) Al2O3 膜后 ,Al 含量减少 β, 2NiAl 转变为γ’强化相。当 涂层中β相消失时 ,粘结层的抗氧化性降低。由于在 MCrAl Y 粘结层和 TBCs 之间的热生长氧化物 TGO 是产生应力、导致涂 层失效的根本原因之一 ,因此在高温下获得连续的 Al2O3 膜 , 可阻碍氧离子向粘结层的氧化速度 ,延长热障涂层的使用寿命。 目前采用的方法有 :改变粘结层的成分 ,加入 Si、Nb 等微量元素 或采用内层低铝、外层高铝的结构 ;可对粘结层进行预处理 ,如 渗铝、预氧化、激光重熔 ,在粘结层上直接制备扩散阻挡层等。 武颖娜等采用爆炸喷涂制备了 NiCrAl Y/ NiAl/ YSZ 体系的热 障涂层 ,其具有明显的抗氧化作用 ,NiAl 扩散阻挡层可促进 Al 的选择性氧化 ,有利于陶瓷层与粘结层界面处 Al2O3 保护膜的 形成和生长 ,并阻碍粘结层元素向外扩散[36 ] 。 2 热障涂层系统结构体系 目前 ,热障涂层主要有 3 种结构 :双层系统、多层系统和梯 度系统 ,如图 1 所示。 图 1 热障涂层结构 Fig. 1 The structure system of thermal barrier coatings 双层系统外层为热障陶瓷层 ,中间为粘结层。这种双层结 构制备工艺简单 ,具有良好的抗氧化隔热作用。但粘结底层与 陶瓷层的界面明显 ,热膨胀系数在界面跃变较大 ,在热载荷的作 用下 ,在涂层内部将产生较大应力 ,使抗热震性能难以得到进一 步提高。陶瓷层越厚 ,涂层的隔热效果越强 ,相应地涂层与基材 的温度差越高 ,在界面处产生的热应力越大 ,越易于剥落。 多层系统是在双层基础上多加了几层封阻层或隔热层。在 高温工作环境中封阻层可以阻止外部腐蚀性介质侵蚀粘结层 , 降低氧通过陶瓷层向粘结层的扩散速度 ,从而使这种多层结构 能有效地防止粘结层氧化。Schmitt2Thomas 等通过在 MCrAl Y 上喷涂 2～5μm 的 Al2O3 封阻层 ,降低了粘结层的氧化 ,并且提 高了陶瓷层与中间层的结合力[37 ] 。但这种系统对抗热震性能 改善不大 ,且热力学行为和制备工艺比较复杂 ,因而逐渐被梯度 涂层所取代。此外 ,有研究表明在 YSZ涂层上部覆盖导热系数 更低的陶瓷涂层 CeO2 或 La2 Zr2O7 多层系统 ,具有更好的抗热 震性能[38 ] 。 梯度系统( Functionally graded coatings ,简称 FGC) 是在陶 瓷层和基体之间采用成分、结构连续变化的一种系统。它可以 减小陶瓷层与粘结底层因热膨胀系数不同而引起的热应力 ,提 高涂层的结合强度和抗热震性能。梯度涂层消除了层状结构的 明显层间界面 ,使涂层内部的力学性能和线膨胀系数连续过渡 , 因此得到广泛重视。乌克兰 Paton 焊接研究所 Movchan 等采 用 EB2PVD 工艺制备的梯度热障涂层的抗热震性能得到了改 善 ,而且与金属基体具有更高的粘结强度[39 ,40 ] 。Kim J. H. 采 用爆炸喷涂技术制备了 YSZ/ NiCrAl Y 梯度热障涂层 ,其抗热 震性优于双层结构[41 ] 。郭洪波采用 EB2PVD 制备的 Al2O32 YSZ梯度热障涂层 ,具有优良的抗高温氧化性和热腐蚀性 ,在 1050 ℃下热震次数达到了 70 次以上[42 ] 。 3 结语 随着人们对高温零件工作要求的不断提高 ,高性能可靠的 热障涂层研究将不断深入下去。选用更好的氧化锆稳定剂 ,进 一步提高热障涂层的抗热震性 ,是未来高性能热障涂层研究热 点之一。寻求更高性能的陶瓷表面涂层 ,突破 YSZ 系热障涂层 的寿命极限 ,降低热障涂层的热导率 ,提高陶瓷涂层的热膨胀系 · 24 · 材料导报 2006 年 10 月第 20 卷第 10 期 © 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
热障涂层材料研究进展/周洪等 43· 数和涂层韧性,发展具有更耐久性的热障涂层不仅是目前迫切 ite after superplastic deformation. Acta Mater, 1998, 46 需要的,而且也是一项长远的计划 22柯培玲,武颖娜,王启民,等.爆炸喷涂空心球形氧化锆热障 参考文献 涂层的抗热冲击性能[J].金属学报,2004,40(11):1179 1 Miller R A, Current status of the thermal barrier coatings 23 Lu Anxian, Chang Ying, Cai Xiao mei. Investigation on plas- an overview [J]. Surf Coat Techn, 1987, 30: I marsprayed ZrOz thermal barrier coating on nickel alloy sub- 2 Miller R A. Thermal barrier coatings for aircraft engines: strate. J Cent South Univ, 2002. 9(4): 225 History and directions[J]. J Thermal Spray Techn, 1997, 6 24 Stecur, Stephan. New ZrOz-Y2Os plasmar sprayed coatings for (1):35 thermal barrier applications. Thin Solid Films, 1987, 150 3李建葆,周益春.新材料科学及其实用技术[M]北京清25 Clarke D r, Phillpot Sr. Thermal barrier coatings material 华大学出版社2004 U]. Mater Today 2005, 8(6): 22 4 Khan T Tasadduq. Heat-resistant materials/ super alloys26潘伟徐强王敬栋,等.稀土锆酸盐高温热障涂层材料及其 UJ]. Adv Mater Proc, 1990, 1: 19 制备方法. CN Pat200510056815.22005-03-25 5田永生,陈传忠,刘军红,等.ZO2热障涂层研究进展U]中27 Hassen r,Caox, Tietz e, Basu d,etal. Zirconates as new 国机械工程,2005,16(16):1499 materials for thermal barrier coatings. J Am Ceram Soc 6林锋,蒋显亮.热障涂层的研究进展口].功能材料,2003 2000,83(8):2023 34(3)254 28 Wu Jie Noval low thermal conductivity ceramics for thermal 7李晓海,陈贵清,孟松鹤,等.热障涂层的研究进展[].宇 barrier coating applications [D]. Ph. D dissertation, Univer- 航材料工艺,2004,(1):1 sity of Connecticut 2004 8邓世均.高性能陶瓷涂层[M]北京:化学工业出版社,29 Jadhav A, Padture n P,WuF,etal. Thick ceramic thermal 2003.8 barrier coatings with high durability deposited using solution 9徐惠彬,宫声凯,刘福顺.航空发动机热障涂层材料体系的 Precursor plasma spray []. Mater Sci Eng A 2005, 405: 313 研究卩].航空学报,2000,21(1):7 30 Guo H B, Vaben R, Stover D. Thermalphysical properties 10 Cao X Q, Vassen R, Stoever D. Ceramic materials for ther- and thermal cycling behavior of plasma sprayed thick ther- al barrier coatings ] J Euro Ceram Soc 2004, 24: 1 mal barrier coatings [ J]. Surf Coat Techn 2005, 192: 48 1 Schulz U, Fritscher K. Two source jumping beam evapora- 31 Talor T A, Walsh P N. Thermal expansion of MCrAlY al- tion for advanced EB- PVD TBC systems J. Surf Coat loys J]. Surf Coat Techn, 2004, 177-178: 24 Techn,2000,133-134:40 52 Brindley WJ, Miller R A. Thermal barrier coating life and 12 Taylor R, Brandon J R, Morrell P. Microstructure tion and property relationships of plasma spraye d thermal isothermal oxidation of low-pressure plasmar sprayed bond coat alloys J. Surf Coat Techn, 1990, 43-44: 446 barrier coatings J]. Surf Coat Techn, 1992, 50: 141 33 Goward G w. Progress in coatings for gas tur bine airfoils 13 Brandon ]R, Taylor R. Phase stability of zirconia based J. Surf Coat Techn, 1998, 108-109: 7 thermal barrier coatings: part 1. zirconiaryttria alloys [ J 34 Czech N, Schmitz F, Stamm w. Improvement of MCrAlY Surf Coat Techn. 1992 46: 75 Coatings by addition of rhenium []. Surf Coat Tech 4 Funke C. Mailand j C. Siebert B. et al. Characterization of 199468-69:17 ZrO2-7wt %Y2, thermal barrier coatings with different parar 35 Padture N T, Gell M Jordan E H. Thermal barrier coatings sites and FEM analysis of stress redistribution during thermal for gasturbine engine application J]. Science, 2003, 296 cling of TBCs Surf Coat Techn, 1997,94-95: 106 (5566):280 l5LecH, Kim H K, Choi h s. Phase transformation and36武颖娜,柯培玲,孙超,等.爆炸喷涂制备 NICIAIyINIA bond coat oxidation behavior of plasmar sprayed zirconia YSZ体系热障涂层[].金属学报,2005,40(5):541 thermal barrier coating J. Surf Coat Techn 2000, 124 37 Schmitt- Thomas Kh G. Dietl U. Thermal barrier coatings 16 Liang Bo, Ding Chuanxian. Thermal shock resistance of with imp roved oxidation resistance [J]. Surf Coat Techn nano-structured and conventional zirconia coatings deposited by air plasma spraying [ J]. Surf Coat Techn, 2005, 197: 185 38 Vaben R, Dietrich M, Lehmann H, et al. Develop ment of ox 17 Nich T G, McNally C M, Wadsworth J. Superplastic behav- ior of a 20 Al2 O3/ YTZ ceramic composite. Scr Metall Techn,2001,32(8):673 1989,23(4):457 39 Movchan B A. Functional graded EB- PVD coatings J] 18 Lima R S. Microstructural characteristics of plasma sprayed Surf Coat Techn 2002, 149: 252 nanostructured partially stabilized zirconia [D]. Ph. D disserta 40 Wolfe D E, Movchan M B. Architecture of functionally gra- tion, State University of New York at Stony Brook 2001 ded ceramic/ metallic coatings by electron beam physical va- 19 Geiter H, et al. Nanocrystalline materials. Proc Mater Sci, 41 KimJ H. Kim M C, Park C G. Evaluation of functionally 1989,33(4):223 graded thermal barrier coatings fabricated by detonation gun 20 Jiang H G, Lau M L, Lavernia EJ. Grain growth behavior spray technique [J]. Surf Coat Techn 2003, 168(2-3): 275 of nanocrystalline inconelπl8 and Ni powders and coatings.42郭洪波.电子束物理气相沉积梯度热障涂层热疲劳行为及 Nanostructured Mater, 1998, 10(2-8): 169 失效机制:[博士学位论文].北京:北京航空航天大学 21 Shi JL Lu ZL. Gao J H. et al. Microstructure and micro- 2001.8 mechanical properties of r TzP and Y- TZP/ Al2 O3 compos- (责任编辑周真真) 201994-2007ChinaAcademicJOurnalElectronicPublishingHouseaLlrightsreservedhttp:/wnw.cnkinet
数和涂层韧性 ,发展具有更耐久性的热障涂层不仅是目前迫切 需要的 ,而且也是一项长远的计划。 参考文献 1 Miller R A. Current status of the thermal barrier coatings — an overview [J ]. Surf Coat Techn ,1987 ,30 :1 2 Miller R A. Thermal barrier coatings for aircraft engines: History and directions [J ]. J Thermal Spray Techn ,1997 ,6 (1) : 35 3 李建葆 ,周益春. 新材料科学及其实用技术[ M]. 北京 :清 华大学出版社 ,2004 4 Khan T Tasadduq. Heat2resistant materials/ super alloys [J ]. Adv Mater Proc ,1990 ,1 :19 5 田永生 ,陈传忠 ,刘军红 ,等. ZrO2 热障涂层研究进展[J ]. 中 国机械工程 ,2005 ,16 (16) :1499 6 林锋 ,蒋显亮. 热障涂层的研究进展[J ]. 功能材料 ,2003 , 34 (3) :254 7 李晓海 ,陈贵清 ,孟松鹤 ,等. 热障涂层的研究进展[J ]. 宇 航材料工艺 ,2004 ,(1) :1 8 邓世均. 高性能陶瓷涂层 [ M]. 北京 : 化学工业出版社 , 200318 9 徐惠彬 ,宫声凯 ,刘福顺. 航空发动机热障涂层材料体系的 研究[J ]. 航空学报 ,2000 ,21 (1) :7 10 Cao X Q ,Vassen R ,Stoever D. Ceramic materials for ther2 mal barrier coatings [J ]. J Euro Ceram Soc ,2004 ,24 :1 11 Schulz U , Fritscher K. Two2source jumping beam evapora2 tion for advanced EB2PVD TBC systems [J ]. Surf Coat Techn ,2000 ,1332134 : 40 12 Taylor R ,Brandon J R ,Morrell P. Microstructure composi2 tion and property relationship s of plasma sprayed thermal barrier coatings [J ]. Surf Coat Techn ,1992 ,50 : 141 13 Brandon J R , Taylor R. Phase stability of zirconia based thermal barrier coatings: part I. zirconia2yttria alloys [J ]. Surf Coat Techn ,1992 ,46 : 75 14 Funke C ,Mailand J C , Siebert B ,et al. Characterization of ZrO227wt %Y2O3 thermal barrier coatings with different para2 sites and FEM analysis of stress redistribution during thermal cycling of TBCs [J ]. Surf Coat Techn ,1997 ,94295 :106 15 Lee C H , Kim H K , Choi H S. Phase transformation and bond coat oxidation behavior of plasma2sprayed zirconia thermal barrier coating [J ]. Surf Coat Techn ,2000 ,124 : 1 16 Liang Bo , Ding Chuanxian. Thermal shock resistance of nano2structured and conventional zirconia coatings deposited by air plasma spraying [J ]. Surf Coat Techn ,2005 ,197 :185 17 Nieh T G,McNally C M ,Wadsworth J. Superplastic behav2 ior of a 20 % Al2O3 / YTZ ceramic composite. Scr Metall , 1989 ,23 (4) : 457 18 Lima R S. Microstructural characteristics of plasma sprayed nanostructured partially stabilized zirconia [D]. Ph. D disserta2 tion ,State University of New York at Stony Brook ,2001 19 Gleiter H ,et al. Nanocrystalline materials. Proc Mater Sci , 1989 ,33 (4) : 223 20 Jiang H G,Lau M L ,Lavernia E J. Grain growth behavior of nanocrystalline inconel 718 and Ni powders and coatings. Nanostructured Mater ,1998 ,10 (228) : 169 21 Shi J L ,Lu Z L , Gao J H ,et al. Microstructure and micro2 mechanical properties of Y2TZP and Y2TZP/ Al2O3 compos2 ite after superplastic deformation. Acta Mater , 1998 , 46 (6) : 1923 22 柯培玲 ,武颖娜 ,王启民 ,等. 爆炸喷涂空心球形氧化锆热障 涂层的抗热冲击性能[J ]. 金属学报 ,2004 ,40 (11) :1179 23 Lu Anxian ,Chang Ying ,Cai Xiaomei. Investigation on plas2 ma2sprayed ZrO2 thermal barrier coating on nickel alloy sub2 strate. J Cent South Univ ,2002 ,9 (4) :225 24 Stecur ,Stephan. New ZrO22Y2O3 plasma2sprayed coatings for thermal barrier applications. Thin Solid Films ,1987 ,150 :15 25 Clarke D R ,Phillpot S R. Thermal barrier coatings material [J ]. Mater Today ,2005 ,8 (6) :22 26 潘伟 ,徐强 ,王敬栋 ,等. 稀土锆酸盐高温热障涂层材料及其 制备方法. CN Pat ,200510056815. 2. 2005203225 27 Vassen R ,Cao X , Tietz F ,Basu D ,et al. Zirconates as new materials for thermal barrier coatings. J Am Ceram Soc , 2000 ,83 (8) :2023 28 Wu Jie. Noval low thermal conductivity ceramics for thermal barrier coating applications [D]. Ph. D dissertation ,Univer2 sity of Connecticut ,2004 29 J adhav A ,Padture N P ,Wu F ,et al. Thick ceramic thermal barrier coatings with high durability deposited using solution Precursor plasma spray [J ]. Mater Sci Eng A ,2005 ,405 : 313 30 Guo H B , Vaben R , Stover D. Thermalphysical properties and thermal cycling behavior of plasma sprayed thick ther2 mal barrier coatings [J ]. Surf Coat Techn ,2005 ,192 :48 31 Talor T A ,Walsh P N. Thermal expansion of MCrAl Y al2 loys [J ]. Surf Coat Techn ,2004 ,1772178 :24 32 Brindley W J ,Miller R A. Thermal barrier coating life and isothermal oxidation of low2pressure plasma2sprayed bond coat alloys [J ]. Surf Coat Techn ,1990 ,43244 : 446 33 Goward G W. Progress in coatings for gas turbine airfoils [J ]. Surf Coat Techn ,1998 ,1082109 : 73 34 Czech N , Schmitz F , Stamm W. Improvement of MCrAl Y Coatings by addition of rhenium [J ]. Surf Coat Techn , 1994 ,68269 :17 35 Padture N T , Gell M ,Jordan E H. Thermal barrier coatings for gas2turbine engine application [J ]. Science , 2003 , 296 (5566) :280 36 武颖娜 ,柯培玲 ,孙超 ,等. 爆炸喷涂制备 NiCrAl Y/ NiAl/ YSZ体系热障涂层[J ]. 金属学报 ,2005 ,40 (5) :541 37 Schmitt2Thomas , Kh G,Dietl U. Thermal barrier coatings with improved oxidation resistance [J ]. Surf Coat Techn , 1994 ,68269 : 113 38 Vaben R ,Dietrich M ,Lehmann H ,et al. Development of ox2 ide ceramic for an application as TBCs [J ]. Mater Sci Eng Techn ,2001 ,32 (8) :673 39 Movchan B A. Functional graded EB2PVD coatings [J ]. Surf Coat Techn ,2002 ,149 : 252 40 Wolfe D E ,Movchan M B. Architecture of functionally gra2 ded ceramic/ metallic coatings by electron beam physical va2 por deposition [C]. Tms Annual Meeting ,1997. 93 41 Kim J H , Kim M C , Park C G. Evaluation of functionally graded thermal barrier coatings fabricated by detonation gun spray technique [J ]. Surf Coat Techn ,2003 ,168 (223) :275 42 郭洪波. 电子束物理气相沉积梯度热障涂层热疲劳行为及 失效机制 : [博士学位论文]. 北京 : 北京航空航天大学 , 200118 (责任编辑 周真真) 热障涂层材料研究进展/ 周 洪等 · 34 · © 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net