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关于先进热障涂层的综述

摘要：在过去的几十年中，许多陶瓷材料都被作为新型的热障涂层材料，其中很大一部分都

是氧化物。由于它独特的性能，这些新型化合物很难与最先进的热障涂层材料YSZ相媲美。

另一方面，由于YSZ有一些缺点，尤其是在1200℃以上时它有限的高温性能使得在先进的

燃气轮机中YSZ被其他材料所取代。

本篇文献是对不同新型涂层材料的综述，尤其是参杂氧化锆、烧绿石、钙钛矿和氯酸

盐等材料。文献的结果还有由我们的研究调查得出的结果都将同我们的要求相比较。最终，

我们将讨论双层结构这个概念。它是一种克服新型热障涂层材料冲击韧性的方法

关键词：热障涂层、氧化锆、烧绿石、钙钛矿、氯酸盐、热导率

一、简介

TBC系统是典型的双层式结构，它包括金属粘结层和陶瓷顶层。粘结层是保护基层

氧化和腐蚀的并有改善陶瓷层和基层之间结合强度的作用。陶瓷顶层相比金属机体而言

拥有很低的热传导率，通过内冷发陶瓷层可以实现一个很大的温差度（几百K）。因此，

它既可以降低金属基体的温度以提高部件的使用寿命又可以提高涡轮发动机的点火温

度来提高它的工作效率。

自19世纪50年代第一个军用发动机搪瓷涂层的制造起热障涂层开始了工业化发

展。在19世纪60年代，第一个带有NiAl粘结层的火焰喷涂陶瓷涂层应用于商业航空

发动机上。接下来的几十年中，热障涂层材料和喷涂技术持续的发展。19世纪80年代

热障涂层迅猛发展。在这十年中，氧化钇稳定的氧化锆（YSZ）被认为是一种特殊的陶

瓷顶层材料，因为它作为一个近30年来的标准而被确立。

根据沉积工艺的不同，已经确立了两种不同的方法。一种是电子束物理气相沉积

（EB-PVD），另一种是大气等离子喷涂（APS）。电子束物理气相沉积法制备的涂层拥有

柱状显微结构并被广泛应用于航空发动机的高热机械载荷叶片中。同电子束物理气相沉

积法相比，大气等离子喷涂以它的操作粗放度及经济可行性为傲，因此现在更多的TBC

采用这种方法。典型静态部件，像燃烧器罐和叶片平台都是用APS进行喷涂。在固定

的燃气轮机中，其叶片也常使用热喷涂的方法进行喷涂。

燃气涡轮机效率的进一步提升有赖于燃烧及冷却技术的进步与更高的涡轮机入口

温度相结合。这意味着由于在高温下烧结和相转变，标准材料YSZ必然会接近它的极限。

由EB-PVD和APS方法加工的YSZ包含亚稳态的T`相。长时间处于高温下，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相并伴随很大

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

稳定性以及烧结导致涂层应变公差的损失而降低了它的高温性能，因此涂层会过早的失

效。

所以，在最近的几十年中，人们为了寻找比YSZ更好的陶瓷材料做了大量的工作。

很多的综述性文献都包含这个主题。本文提供了这个领域中必威体育精装版发展的概要。

二、烧绿石

为了在1300℃以上的条件下服役，拥有烧绿石结构的TBC材料比YSZ有更具吸引力的性

能。特别是一些锆酸盐烧绿石更低的热导率使得这类材料更加令人关注。同样，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。广泛的研究中，烧绿石是稀

土锆酸盐（LnZrO），其中Ln（镧）可以是La、Gd、Sm、Nd、Eu和Yb中的任意一个或是他们

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的混合物。一些以铪（LaHfO和GdHfO）和铈（LaCeOandLa(ZrCe)O)）为基的材料同样也是

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备受关注的TBC材料。事实上，以铈为基的氧化物通常是一种有缺陷的萤石结构，这种结构使得阳离子的

交换更加容易，这也解释了为什么这些材料有很高的烧结率。在LaZrO中惨杂其他元素能够提高它的

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烧结阻力。