先进热障涂层的概述课件

1、 随着航空业的发展，对热障涂层的要求越来越高。为了达到降低燃烧 室内金属基体的温度提高使用寿命,提高涡轮发动机的点火温度来 提高它的工作效率这样的目的。我们研究了许多种热障涂层材料， 其中使用最 广泛的应该就是YSZ。但是YSZ也存在一些不足,由EB-PVD 和APS方法加工的YSZ含有亚稳态的T相。长时间处于高温状态下，它能 够分解成高氧化钇相和低氧化钇相。后者在冷却过程中将会转变成为 单斜晶并伴随较大的体积增加，这将导致TBC的失效。公认的上限温 度是1200。另外，由于有限的相稳定性将导致涂层应变公差减小， 从而降低了它的高温性能，因此涂层会过早的失效。 所以我们要寻找比YSZ更好的热障

2、涂层材料 背景烧绿石 在1300以上时，具有A2B2O7的烧绿石结构的TBC材料比YSZ的性能更好。特别是一些锆酸盐烧绿石具有很低的热导率使得这类材料更加令人关注。同时它们有着很不错的热稳定性，这可能与晶体中阳离子有着固定的位置有关。 在烧绿石中，La2Zr2O7 (LZ)是TBC应用最具前景的材料之一。因为它相比YSZ具有更加出色的综合特性，在2000以上时它具有不错的热稳定性能，热导率很低，为1.56 W/m K，烧结倾向也很小。但它也有缺点，它的热膨胀系数较低。YSZ的热膨胀系数为1011106 K1，LZ的热膨胀系数大概是9106 K1，由于热膨胀系数不匹配将导致较高的热应力。 锆酸镧

3、和锆酸钆单独作为陶瓷顶层材料时TBC的寿命很低，因为基体和粘结层都具有相当高的热膨胀系数(大约15106 K1)，在工作过程中TBC中靠近粘结层位置的应力堆积使得裂纹能很容易的扩展。 在双层系统中（图1）,有一层YSZ层和一层由烧绿石材料制成的顶层。这种涂层在热循环测试中的寿命显著提高。在这种双层结构中，YSZ使它具有接近粘结层的韧性，顶层的烧绿石材料使涂层拥有低烧结率和高温稳定性。这些基于 烧绿石/YSZ 的双层系统表现出的比YSZ更优秀的高温性能从而有望应用来提高燃气轮机的热性能。 图1 锆酸镧/YSZ双层结构热障涂层的光学显微结构 图2 不同TBC系统燃烧室的热循环测试结果六铝酸盐 磁铁

4、铅矿结构的六铝酸镧常被用于激光技术、催化剂等领域。由于它的高熔点，高热膨胀系数，低热导率和高达1800结构稳定性等特点，这类材料也可用在热障涂层应用中。 我们认为低杨氏模量和高断裂韧性是这种涂层热循环寿命较长的原因。六铝酸镧片晶的随机排列是其微孔率比较均衡的成因并降低了陶瓷的热导率。高横纵比的片晶使它的断裂韧性更高。图3 1200等温热处理后镧-锂-六铝酸盐大气等离子喷 涂涂层的典型分割裂纹的显微图像 六铝酸盐等离子喷涂涂层能产生分割裂纹网络（见图3），这增加了涂层的应变公差进而产生了一个热冲击抗力，在TBC应用中这是很有利的。当把它用作双层TBC系统的顶层材料时，在高达1350的热梯度燃烧室

5、测试中它表现出很不错的寿命。复杂钙钛矿 除了高熔点外，复杂钙钛矿另一个值得关注的特性是B位阳离子的成序效应，它能够调节材料的性能。在大气等离子喷涂中沉积涂层常表现为无序立方相这些无序立方相在高于1250进行热处理时能够转变为有序的，使涂层中形成纵向裂纹网络（图4）。这种材料显示出更有前景的涂层性能。图4 La(Al1/4Mg1/2Ta1/4)O3（顶层）和YSZ（底层）制成的双层大气等离子喷涂涂层的SEM图 尽管钙钛矿的整体特性很不错，但是它的韧性不如YSZ。在大气等离子喷涂过程中，由于氧化物蒸汽压的不同导致组成锆酸盐中的非氧化锆成分以及复杂钙钛矿中的氧化镁先蒸发。这种效应会导致不利于涂层性能的非化学计量相的沉积。最近的研究表明，通过优化等离子喷涂参数来缩短粒子在等离子焰流中的时间能够使这种效应最小化。总结我们研究了很多不同的TBC材料，其热导率和热膨胀系数在图5中有所标示。很明显，烧绿石材料占据着最令人关注的区域