航空发动机热障涂层存在的问题及其发展方向 .pdfVIP

航空发动机热障涂层存在的问题及其发展方向

一、热障涂层应用现状

要想使航空发动机获得更大的推重比，就必须提高发动机涡轮前

的进口温度，因此对航空发动机燃烧室、涡轮叶片等热端部件的抗高

温能力的要求相应提高。在基体合金表面涂覆热障涂层（Thermal

BarrierCoating，TBC）是有效提升其抗高温能力的途径之一。目前

在涡轮发动机上获得实际应用的热障涂层均为双层结构：表层为陶瓷

层，主要起隔热作用，此外还起抗腐蚀、冲刷和侵蚀的作用；内层为

金属粘接层，主要起改善金属基体与陶瓷层之间的物理相容性，增强

涂层抗高温氧化性能的作用。

航空发动机热障涂层

迄今为止，应用最广、最成熟的热障涂层是以氧化钇（质量分数

6%～8%）部分稳定氧化锆（YSZ）陶瓷层为面层，MCrAlY合金层

为粘接层的双层结构热障涂层体系。YSZ具有低的热导率和相对较高

的热膨胀系数，但是它在使用过程中存在如下问题：

（1）当工作温度高于1200℃时，随着烧结时间延长，YSZ的孔

隙率和微观裂纹数量逐步减少，从而导热系数上升，隔热效果下降。

（2）高温环境中，热障涂层的面层和粘接层之间会生成以含铝氧

化物为主的热生长氧化物（TGO），同时金属粘接层会产生“贫铝

带”，随着热循环次数的增加，贫铝带扩大，富Ni、Co的尖晶石类氧

化物在TGO中形成，从而使TGO内部产生较大的应力，最终诱发裂

纹并导致陶瓷面层脱落。

（3）空气环境中或飞机跑道上的颗粒物进入燃烧室后，在高温作

用下形成一种玻璃态沉积物CMAS（CaO，MgO，Al2O3，SiO2等

硅酸铝盐物质的简称）。CMAS附着在发动机叶片上，在毛细管力的

作用下沿着YSZ涂层孔隙向深度方向渗透，随后CMAS与YSZ涂层

中的Y2O3发生反应，加速YSZ相变，最终在热化学与热机械的相互

作用下，导致YSZ涂层内部产生裂纹。

（4）YSZ陶瓷面层、金属粘接层、TGO的热膨胀系数存在的差

异会引起致YSZ陶瓷面层/TGO界面、TGO/金属粘接层界面上在从工

作温度（上千摄氏度）降到室温的过程中产生应变失配，从而形成热

失配应力，最终会导致YSZ面层脱落。

为了改善YSZ涂层性能，人们进行了大量的探索和研究。表1是

影响YSZ涂层服役寿命的常见问题及其改善需求、改善方法。

1、改善抗烧结性

（1）提高陶瓷涂层纯度，减少YSZ涂层中SiO2和Al2O3杂质

的含量，可以显著降低涂层的烧结速率，平面收缩倾向减小，从而降

低导热系数的增加速率，涂层表现出一定的抗烧结性。

（2）在涂层中添加特殊化学元素。例如在镧系锆酸盐体系

（La2Zr2O7）涂层中适量掺杂Hf、Nd、Gd、Sm等元素能够有效

提升涂层的抗烧结性能。

2、控制TGO的生长

航空发动机在高温服役过程中，粘接层Al，Cr，Ni等金属元素接

触氧气发生选择性氧化，会在粘接层（BC）和顶层陶瓷层（TC）表

面形成一层热生长氧化物（TGO），进而造成涂层局部膨胀并对TC

产生张力，当张力超过了TC的结合力时就会引起裂纹扩展，直至表面

涂层的剥落。

（1）改变粘接层的化学成分。适当掺杂一些活性元素（如Y，Hf，

Zr），在这些元素的偏析聚集作用下，降低Al2O3的增长速度，抑制

TGO生长；

（2）采用冷喷涂（CS）、超音速火焰喷涂（HVOF）等工艺或

预先沉积一层富Al的PVD“薄夹层”，改善涂层结构，降低氧气扩

散系数，从而减缓TGO的生长速度。

3、改善抗CMAS腐蚀性能

发动机叶片上CMAS的形成不仅会造成钇的损耗引起ZrO2熔融

相变产生不稳定相，CMAS的沉积还会引起涂层应力增大，加速涂层

剥蚀，大大降低热障涂层