【《关于热障涂层的研究文献综述》2800字】

关于热障涂层的研究文献综述热障涂层的发展历史和趋势早在1940年左右就已经出现了热障涂层的相关报道，经过了大约半个多世纪的时间进行研究和发展，热障涂层的材料选材和结构优化都有了极大的提升和改善，热障涂层的技术体系已经趋向成熟，我们可以将其发展过程大致划分为四个时期ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>王植</Author><Year>2016</Year><RecNum>7</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[4]</style></DisplayText><record><rec-number>7</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="dfr5prd9bv0zxfezzfjxf9fiw2axf0afsd5z"timestamp="1622273799">7</key></foreign-keys><ref-typename="Thesis">32</ref-type><contributors><authors><author>王植</author></authors></contributors><titles><title>基于激光熔覆的汽轮机叶片热障涂层制备与性能研究</title></titles><dates><year>2016</year></dates><publisher>天津工业大学</publisher><urls></urls></record></Cite></EndNote>[4]。从最开始使用寿命和性能都较差的β-NiAl基铝化物涂层到现在运用广泛、性能显著的新型陶瓷热障涂层，热障涂层在技术上的发展与运用已经有了很大的进步，目前部分氧化钇（6~8wt.％Y2O3）稳定的氧化锆（ZrO2）是商业化应用比较成功的一种热障涂层，相比于上几代的热障涂层材料，它有较低的热导率系数，这意味着它的隔热效果较为出色，而热膨胀系数也与基体相适配，能保证在高温下不轻易脱落。因此在使用的过程中能够有效的抵挡住发动机发受热部位的恶劣环境，提高金属部件的使用寿命。YSZ热障涂层在1200℃在以上使用时的相变缺陷会妨碍了其进一步高温下的使用。所以寻找一种在实际高温下使用性能更好的热障材料，并详细研究相应热障涂层材料涂层的构成、加工工艺和过程中的质量控制、失效原因和机理、无损检查、寿命预测等，这些都是为了适应燃烧室的温度朝着高流量比、高进口温度方向的发展这一必然趋势，也是目前以及今后对于热障涂层技术领域研究的重点ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>牟仁德</Author><Year>2009</Year><RecNum>2</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[5]</style></DisplayText><record><rec-number>2</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="dfr5prd9bv0zxfezzfjxf9fiw2axf0afsd5z"timestamp="1622270079">2</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">牟仁德</style></author><author><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">陆峰</style></author><author><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">何利民</style></author><author><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">贺世美</style></author><author><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">黄光宏</style><styleface="normal"font="default"size="100%">[J]</style><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">热喷涂技术</style></author></authors></contributors><titles><title><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">热障涂层技术在航空发动机上的应用与发展</style></title></titles><pages>53-58</pages><volume>1</volume><number>001</number><dates><year>2009</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[5]。热障涂层的结构热障涂层是为了对热端部件的表面进行隔热以及防热保护。而为了满足涂层的使用需求，涂层材料应该拥有低热导和高耐热性。而由于热端部件处的温度过高，所以材料也同时需要有一定的抗热腐蚀性。而根据以上需求设计出来的材料就是热障涂层的陶瓷层。虽然满足了热障的需求，但是这样的陶瓷层如果直接涂覆在基体表面的时候因特别容易脱落。即使不脱落，在进行热循环会也有很大的应力导致陶瓷层的使用寿命降低，这样的不稳定结构是无法进行商用的。为了解决陶瓷层和基体的性能不适配的问题，人们在两个层体之间加了另一个层体来进行一定的过渡，后来这一层被定义为粘结层，同时粘结层在改善整个热障涂层的性能方面也有一定的贡献，例如可以增强热障涂层的耐腐蚀性能和抗氧化性能ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Xianxiu</Author><Year>2012</Year><RecNum>8</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[6]</style></DisplayText><record><rec-number>8</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="dfr5prd9bv0zxfezzfjxf9fiw2axf0afsd5z"timestamp="1622273926">8</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Xianxiu</author><author>Mei</author><author>and</author><author>Xiaofei</author><author>Liu</author><author>and</author><author>Cunxia</author><author>Wang</author><author>and</author><author>Younian[J]AppliedSurfaceScience</author></authors></contributors><titles><title>Improvingoxidationresistanceandthermalinsulationofthermalbarriercoatingsbyintensepulsedelectronbeamirradiation</title></titles><pages>810-815</pages><volume>263</volume><number>1</number><dates><year>2012</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[6]。经过了这么多年的研究和发展，人们发现热障涂层的厚度并不是越厚越好，较厚的热障涂层在界面接触的地方容易产生较大的热应力使涂层脱落，降低涂层的使用时间。所以现在一般根据需求来确定涂层的厚度。经典的TBC设计具有基底、粘结层、热生长氧化物（TGO）层和热障层如REF_Ref73081835\h图1.1ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Sankar</Author><Year>2014</Year><RecNum>6</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[7]</style></DisplayText><record><rec-number>6</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="dfr5prd9bv0zxfezzfjxf9fiw2axf0afsd5z"timestamp="1622273702">6</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Sankar,V.</author></authors></contributors><titles><title>THERMALBARRIERCOATINGSMATERIALSELECTION,METHODOFPREPARATIONANDAPPLICATIONS-REVIEW</title></titles><dates><year>2014</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[7]所示图1.SEQ图1.\*ARABIC1传统TBC设计示意图ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Sankar</Author><Year>2014</Year><RecNum>6</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[7]</style></DisplayText><record><rec-number>6</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="dfr5prd9bv0zxfezzfjxf9fiw2axf0afsd5z"timestamp="1622273702">6</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Sankar,V.</author></authors></contributors><titles><title>THERMALBARRIERCOATINGSMATERIALSELECTION,METHODOFPREPARATIONANDAPPLICATIONS-REVIEW</title></titles><dates><year>2014</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[7]在TBC中，粘结层充当基底和外涂层之间的预涂层界面，以增加各层之间的附着力和涂层的结构完整性。TGO层是通过在制造和操作过程中氧气通过外涂层的扩散而形成的。外涂层一般叫做TBC层，通常是一种为基底提供热保护的陶瓷[8]。热障涂层的选材要求热障涂层最初被分为陶瓷层材料和粘结层材料两个组成部分，作为热障涂层材料所能使用的最主要理论根究就是材料要有尤其低的高温热导率和比基体与粘结层之间形成的氧化物更好的热力学稳定性，所以目前主要使用最低热导率理论结合材料参数来确定材料是否可以作为热障涂层应用于各种高温场合ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Padture</Author><Year>2002</Year><RecNum>15</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[9]</style></DisplayText><record><rec-number>15</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="dfr5prd9bv0zxfezzfjxf9fiw2axf0afsd5z"timestamp="1622275258">15</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Padture,N.P.</author><author>Gell,M.</author><author>Jordan,E.H.</author></authors></contributors><titles><title>Materialsscience-Thermalbarriercoatingsforgas-turbineengineapptications</title></titles><dates><year>2002</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[9]。目前最新的陶瓷层结构是双层陶瓷层（DCL），双陶瓷层涂层被认为是一种通过在传统YSZ面漆中添加主要的锆酸盐层来提高TBC性能的新方法，这些材料被设计集成到陶瓷面漆中，提供热稳定性和改进的抗氧化性。在降低热导率和热膨胀失配的同时提高相稳定性可以减缓氧化速率，从而减缓TBC中潜在的层裂。研究表明，锆酸盐DCL涂层是一种可行的选择，以提高整体寿命和性能的TBCs在各种应用ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Nicholls</Author><Year>2002</Year><RecNum>16</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[10]</style></DisplayText><record><rec-number>16</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="dfr5prd9bv0zxfezzfjxf9fiw2axf0afsd5z"timestamp="1622275314">16</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Nicholls,J.R.</author><author>Lawson,K.J.</author><author>Johnstone,A.</author><author>Rickerby,D.S.[J]Surface</author><author>CoatingsTechnology</author></authors></contributors><titles><title>MethodstoreducethethermalconductivityofEB-PVDTBCs</title></titles><pages>383-391</pages><volume>151</volume><number>01</number><dates><year>2002</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[10]。表1.SEQ表1.\*ARABIC1热障涂层陶瓷材料及其部分性能综合这些因素，可用作热障涂层陶瓷层的材料比较少。经过测量，瓷土、焦绿石（A23+B24+O7）、石榴石（Y3AlFe5-xO12）、独居石（LaPO4）、钙钛矿（ABO3）、六铝酸镧镁（LaMgAl1O19）都具有较低的热扩散率，因此可以认为是潜在的TBC材料。REF_Ref73081860\h表1.1是几种热障涂层材料及其部分物理性能。由于热障涂层带来的经济效益比较高，人们也在不断探索是否有其他材料适合作为热障涂层。氧化钇部分稳定氧化锆（YTZP）是一种陶瓷材料，由于其特殊的整体性能（例如，相对较低的热导率、较高的介电常数、过高的断裂韧性和高温下的化学惰性）而应用广泛。尤其是氧化钇稳定氧化锆（YSZ），它相较于比其它陶瓷层具有更高的抗热震性。YSZ涂层中氧化锆在外加应力下发生单斜相变，这种相变会使体积膨胀，从而在裂纹附近积聚压应力，而其中的氧化钇稳定剂有助于在室温下保持氧化锆的四方相。然而，YSZ陶瓷层无法在1200℃以上长期使用，因为在这样的高温下涂层的抗烧结性会降低，而亚稳四方相也会产生严重的相变使得热导率升高，并促进了陶瓷涂层的层裂ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Miller</Author><Year>1987</Year><RecNum>13</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[11]</style></DisplayText><record><rec-number>13</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="dfr5prd9bv0zxfezzfjxf9fiw2axf0afsd5z"timestamp="1622274975">13</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Miller,R.A.[J]Surface</author><author>CoatingsTechnology</author></authors></contributors><titles><title>Currentstatusofthermalbarriercoatings—Anoverview</title></titles><pages>1-11</pages><volume>30</volume><number>1</number><dates><year>1987</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[11]。而在粘结层的应用上，根据粘结层涂覆方法的不同将TBC中的粘结层分为扩散涂层和涂覆涂层。扩散涂层在基体和结合层之间形成金属间化合物层作为氧扩散边界。铝涂层在高温合金上形成NiAl层，该层中通常夹杂有硅和铬以及他们的氧化膜。目前的应用多是使用经铂改性的NiAl粘结层。由于热循环类型和使用条件对TBC寿命很重要，在进行长时间的热循环的时候，Pt改性的NiAl键合涂层功能良好。而如果进行较短时间的热循环的时候普通的MCrAlX粘合涂层的性能更好。MCrAlX粘合涂层是覆盖涂层，其中M代表通常是Ni、Co或Fe混合的基材，X代表Y或Zr。在该涂层中，Al主要用作氧化保护的氧化层，而Cr的添加是为了提高了Al的有效化学活性。涂层中的X通常是钇，有助于提高热阻以及与陶瓷涂层和生长氧化铝的热匹配。同理，M基材是为了增加与基材的相容性ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Miller</Author><Year>1997</Year><RecNum>11</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[12]</style></DisplayText><record><rec-number>11</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="dfr5prd9bv0zxfezzfjxf9fiw2axf0afsd5z"timestamp="1622274375">11</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Miller,R.A.[J]JournalofThermalSprayTechnology</author></authors></contributors><titles><title>Thermalbarriercoatingsforaircraftengines:Historyanddirections</title></titles><pages>35</pages><volume>6</volume><number>1</number><dates><year>1997</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[12]。可以看出，除粘结层外，隔热层材料是热障涂层最重要的部分，根据相关文献可以对目前主流的陶瓷层做了如下REF_Ref73183952\h表1.2的总结。

表1.SEQ表1.\*ARABIC2可供热障涂层的陶瓷层所用的材料优点和缺点参考文献ADDINEN.REFLIST[1]张佐伊.Y2O3-ZrO2热障涂层高温氧化、腐蚀及抗热震性能研究[D].哈尔滨工业大学，2010.[2]杨二娟，李太江，李巍，李勇，刘刚.烧结温度对热障涂层组织及性能的影响[J].金属热处理，2017，42(010):170-173.[3]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，（01）:8-13.[4]王植.基于激光熔覆的汽轮机叶片热障涂层制备与性能研究[D].天津工业大学，2016.[5]牟仁德，陆峰，何利民，贺世美，黄光宏.热障涂层技术在航空发动机上的应用与发展[J].热喷涂技术，2009，1(01):53-58+66.[6]XianxiuMei,XiaofeiLiu,CunxiaWang,YounianWang,ChuangDong.Improvingoxidationresistanceandthermalinsulationofthermalbarriercoatingsbyintensepulsedelectronbeamirradiation[J].AppliedSurfaceScience,2012,263.[7]VishnuSankar.ThermalBarrierCoatingsMaterialSelection,MethodofPreparationandApplications[J].InternationalJournalofMechanicalEngineeringandRoboticsResearch,2014,3(2).[8]A.Portinha,V.Teixeira,J.Carneiro,J.Martins,M.F.Costa,R.Vassen,D.Stoever.Characterizationofthermalbarriercoatingswithagradientinporosity[J].Surface&CoatingsTechnology,2004,195(2).[9]NitinP.Padture,MauriceGell,EricH.Jordan.ThermalBarrierCoatingsforGas-TurbineEngineApplications[J].Science,2002,296(5566).[10]J.R.Nicholls,K.J.Lawson,A.Johnstone,D.S.Rickerby.MethodstoreducethethermalconductivityofEB-PVDTBCs[J].Surface&CoatingsTechnology,2002,151.[11]MillerRobertA..CurrentstatusofthermalbarriercoatingsâA