【热障涂层制备方法与失效分析概述2600字】

热障涂层制备方法与失效分析概述目录TOC\o"1-3"\h\u21489热障涂层制备方法与失效分析概述 1201331热障涂层概述 1198102热障涂层制备方法 2184452.1等离子喷涂 2269042.2电子束物理气相沉积 3127402.3等离子喷涂-物理气相沉积 4305953热障涂层的失效 575343.1热膨胀系数不匹配 67443.2TGO层的生长和演变 6222053.3陶瓷材料的烧结与相变 71热障涂层概述热障涂层结构形式主要包括三种：双层结构、多层结构以及梯度结构［5］，如图2所示。其中双层结构是最为经典且应用最广泛的涂层结构，如图2（a）所示，双层结构由沉积在高温合金基底上的顶层陶瓷层（CeramicCoat）与中间粘结层（BondCoat）组成。陶瓷层作为热障涂层的最外层，直接抵抗外界的高温以及腐蚀，因此陶瓷层需具备高熔点、较低的热导率以及优良的抗腐蚀性能等优点，其厚度一般为100~500μm。粘结层为高温合金层与陶瓷层之间的过渡层，其化学式一般为MCrAlYX(M：Ni或Co，X：Hf和Si)或者Pt/Ni-Al，厚度约为40μm左右，通常采用真空等离子喷涂技术制备。由于高温合金基底的热膨胀系数与外层陶瓷层不匹配，高温下产生的热应力会使涂层过早剥落，而粘结层的存在有效解决了这一问题。图2（b）为热障涂层多层结构示意图，该结构为在双层结构的基础上增加了封阻层、氧阻挡层等具有特定功能的涂层，能有效缓解外部环境中腐蚀性物质（如V2O5、SO2等）对涂层的侵蚀，同时还能降低陶瓷层的氧透过率，减缓粘结层的氧化。图2（c）为热障涂层梯度结构示意图，所谓梯度结构，即从基底高温合金到顶层陶瓷层之间材料的成分呈梯度连续变化的结构，其主要作用是提高涂层的耐热与隔热性能。此外，还可以起到减缓涂层在高温服役过程中因热应力集中而导致涂层的剥落失效的作用。图2热障涂层结构模型：（a）双层结构，（b）多层结构，（c）梯度结构Fig.2SchematicdiagramofTBCsstructure:(a)double-layerstructure,(b)multi-layerstructure,(c)gradientstructure2热障涂层制备方法2.1等离子喷涂图3［6］为等离子喷涂（plasmaspraying，PS）原理图及其所制备的涂层的微观形貌。PS是以等离子电弧作为热源的热喷涂技术，将待喷涂的材料通过等离子电弧加热到熔融状态，在等离子焰流的带动下高速喷射到待沉积的基底表面，经过扩散冷却形成涂层的过程［6-7］。PS由于喷涂环境的不同分为大气等离子喷涂（atmosphericplasmaspraying，APS）、低压等离子喷涂（Lowpressureplasmaspraying，LPPS）、真空等离子喷涂（Vacuumplasmaspraying,VPS）以及超音速等离子喷涂（Supersonicplasmaspraying,SAPS）等。其中应用最广泛的是APS与LPPS。APS具有制备工艺简单、喷涂效率高等优点。此外，片层状结构使得涂层具有较好的隔热性能。然而，在热喷涂过程中熔融的喷涂液滴在快速冷却时易形成孔洞，导致涂层的致密度下降。此外，在制备的粘结层中容易夹杂氧化物，严重影响粘结层中的Al元素扩散以及TGO的生长。因此，APS通常被用来制备热障涂层中的陶瓷层。相比于APS，LPPS所制备的涂层致密度高、与基底的结合强度大。由于在低压状态下，惰性气体使得喷涂液在喷涂时不易产生氧化物，大大增加了涂层抗氧化能力。因此，该技术通常被用来制备热障涂层中的粘结层［6-8］。图3PS原理以及采用PS技术喷涂的涂层微观结构图［6］Fig.3PSschematicdiagramandYSZthermalbarriercoatingdepositedbyAPS［6］2.2电子束物理气相沉积电子束物理气相（ElectronBeamPhysicalVaporDeposition,EB-PVD）技术是电子束与物理气相沉积技术相结合的表面处理技术［9］。图4（a）为EB-PVD工作原理示意图［10-11］。在真空条件下，电子枪被加热，其内部的电阻丝因受热而产生自由电子，自由电子经电场加速形成电子束，高能电子束轰击靶材使靶材受热快速熔化和气化，最后靶材蒸汽向预热的基底运动并在其表面以原子形态沉积形成涂层［9］［12］。EB-PVD所制备的热障涂层为柱状晶结构，如图4（b）所示［13］。在沉积初期，涂层的晶体结构为细小的等轴晶，而随着沉积时间的延长，等轴晶逐渐变为柱状晶并且逐渐长大到一定的尺寸。柱状晶具有排列规则、相互平行、相互结合力弱等特点，这使得涂层具有良好的应变容限以及抗冲击能力。此外，涂层界面为化学结合，因此涂层与基底具有良好的结合力［13-14］。然而，EB-PVD也存在一些问题，如沉积效率低，不易大面积沉积，隔热性能差，成分不易控制等。图4EB-PVD原理图以及EB-PVD热障涂层微观形貌图［12］［14］Fig.4SchematicdiagramofEB-PVDandmicrographofthermalbarriercoatingdepositedbyEB-PVD［12］［14］2.3等离子喷涂-物理气相沉积等离子喷涂-物理气相沉积（PlasmaSpraying-PhysicalVaporDeposition，PS-PVD）技术是基于等离子喷涂与物理气相沉积而研发的新一代涂层制备技术［15-19］。图5［16］［21］为PS-PVD技术原理图以及采用PS-PVD制备的涂层微观形貌图。APS制备的涂层隔热性能好而结合力弱、抗热震性能差，而EB-PVD制备的涂层结合力强而隔热性能差，因此将两种技术结合后的PS-PVD相比于APS和EB-PVD，不仅隔热效果良好，而且还兼具优良的抗热震性能。此外PS-PVD技术可喷涂的靶材种类多，可沉积结构较复杂、功能较多的涂层，且制备的涂层结构为羽毛状柱状结构，结构上具有较多的微孔，使涂层具有优异的热循环寿命［20-22］。图5PS-PVD原理图以及PS-PVD热障涂层微观形貌图［15］［21］Fig.5SchematicdiagramofPS-PVDandmicrographofthermalbarriercoatingusingPS-PVD［15］［21］3热障涂层的失效作为喷涂在航空发动机热端部件表面的材料，热障涂层长期遭受高温以及腐蚀性物质的侵害［23-24］。在如此恶劣且复杂的工作环境下服役将会导致热障涂层的性能下降，进而使涂层失效。涂层复杂的结构、多样的组织成分、恶劣的服役环境等使得涂层的失效形式多种多样。当前造成热障涂层失效的原因主要有层与层之间热膨胀系数不匹配、TGO层的生长和演变、陶瓷材料的烧结与相变以及腐蚀物如CMAS（CaO、MgO、Al2O3和SiO2）的侵蚀等［24-28］。3.1热膨胀系数不匹配热障涂层系统中，由于每一层涂层的功能不同，因此层之间的性能也各有差异，如顶层陶瓷层与中间粘结层和基底高温合金层之间的热膨胀系数呈现由小到大的变化［29］。层与层之间不匹配的热膨胀系数将会导致涂层在热循环过程中产生较大的热应力，在层与层之间界面处或缺陷处产生应力集中，进而促使裂纹的生成与长大，最终导致涂层失效［30,31］。3.2TGO层的生长和演变热生长氧化物层（ThermalGrownOxide，TGO）为热障涂层在服役过程中，顶层陶瓷层和中间粘结层之间由于氧化作用而生成的氧化物层。如图6［32］所示，TGO的形成过程主要为氧通过陶瓷层，到达粘结层后与亲氧元素Al发生氧化并在界面形成以α-Al2O3为主的氧化物层［33-34］。图6热障涂层结构［32］Fig.6structureofTBCs［32］研究表明，初期形成的TGO层对基底具有保护作用，但随着氧化时间的增加，TGO层厚度亦越来越大［32-34］。当厚度增加到8~10μm时，此时TGO层具的与粘结层和陶瓷层不匹配的热膨胀系数将会导致热应力的集中，进而导致涂层失效。此外，由于TGO层的生成会消耗粘结层中的Al元素，Al元素的消耗将会导致脆性的金属间化合物γ-Ni3Al从粘结层中析出，