熱障涂層發(fā)展趨勢(shì)

隨著航空工業(yè)的發(fā)展，渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比越來(lái)越高，渦輪前進(jìn)口溫度也越來(lái)越高。根據(jù)國(guó)內(nèi)外材料的研究歷程，在短時(shí)期內(nèi)通過(guò)提高材料的使用溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)渦輪葉片耐高溫能力大的提升具有相當(dāng)大的難度，可行的方法是在渦輪葉片基體上沉積熱障涂層以提高其使用溫度。未來(lái)熱障涂層技術(shù)的發(fā)展將著重研究以下幾個(gè)方面：

①研究適用于下一代超聲速發(fā)動(dòng)機(jī)的新的熱障涂層材料體系，尋找能替代ZrO₂的、具有更好相穩(wěn)定性、更低燒結(jié)速率和導(dǎo)熱系數(shù)的陶瓷材料是其中的關(guān)鍵。

②對(duì)現(xiàn)有涂層體系的材料及制備工藝的優(yōu)化研究和機(jī)理研究，包括對(duì)Y黏結(jié)層的成分、YSZ陶瓷新的穩(wěn)定氧化物的選擇及涂層微觀結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和優(yōu)化，以及對(duì)梯度涂層技術(shù)的進(jìn)一步研究，從而提高涂層的工作溫度、使用壽命和隔熱性能。

③熱障涂層隔熱效果研究，通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)M測(cè)試涂層的隔熱情況即溫度梯度，并結(jié)合傳熱學(xué)理論，根據(jù)涂層材料的導(dǎo)熱系數(shù)、預(yù)期的隔熱效果及熱端部件的工作環(huán)境，為合理設(shè)計(jì)涂層厚度提供依據(jù)，也為涂層的改進(jìn)提供方向。

④熱障涂層壽命預(yù)測(cè)模型的進(jìn)一步研究，若將熱障涂層應(yīng)用于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)高危險(xiǎn)部位，必須建立發(fā)動(dòng)機(jī)壽命預(yù)測(cè)系統(tǒng)以保證安全。因此，進(jìn)一步研究熱障涂層剝落失效機(jī)理及服役條件下的力學(xué)行為等，建立較為完善的壽命預(yù)測(cè)模型，從而較為準(zhǔn)確地評(píng)估涂層的服役壽命，為熱障涂層的實(shí)際應(yīng)用提供可靠的保障。

⑤發(fā)展新的涂層性能檢測(cè)技術(shù)，尤其是無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，準(zhǔn)確表征涂層與基體的結(jié)合力、涂層開(kāi)裂程度、相變程度等性能，更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)涂層質(zhì)量的控制。

隨著航空、航天及民用技術(shù)的發(fā)展，熱端部件的使用溫度要求越來(lái)越高，已達(dá)到高溫合金和單晶材料的極限狀況。以燃料輪機(jī)的受熱部件如噴嘴、葉片、燃燒室為例，它們處于高溫氧化和高溫氣流沖蝕等惡劣環(huán)境中，承受溫度高達(dá)1100℃，已超過(guò)了高溫鎳合金使用的極限溫度（1075℃）。將金屬的高強(qiáng)度、高韌性與陶瓷的耐高溫的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)所制備出的熱障涂層能解決上述問(wèn)題，它能起到隔熱、抗氧化、防腐蝕的作用，已在汽輪機(jī)、柴油發(fā)電機(jī)、噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)等熱端材料上取得一定應(yīng)用，并延長(zhǎng)了熱端部件的使用壽命。

熱障涂層可以明顯降低基材溫度、硬度高、化學(xué)穩(wěn)定性好，具有防止高溫腐蝕、延長(zhǎng)熱端部件使用壽命、提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率和減少燃油消耗等優(yōu)點(diǎn)，TBCs的出現(xiàn)為大幅度改進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能開(kāi)辟了新途徑。自20世紀(jì)70年代以來(lái)，美國(guó)、英國(guó)、法國(guó)、日本等發(fā)達(dá)工業(yè)化國(guó)家都競(jìng)相發(fā)展TBCs涂層，并大量應(yīng)用在葉片、燃燒室、隔熱屏、噴嘴、火焰筒、尾噴管等航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件上。

熱障涂層在我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片上的應(yīng)用研究已經(jīng)開(kāi)始并得到重視，已在某些渦輪葉片上噴涂出熱障涂層，取得了階段性成果。熱障涂層技術(shù)的應(yīng)用可以大幅提升發(fā)動(dòng)機(jī)和地面燃?xì)廨啓C(jī)的綜合性能，延長(zhǎng)其使用壽命，是高性能發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)研制的關(guān)鍵技術(shù)之一，隨著我國(guó)大飛機(jī)、地面燃?xì)廨啓C(jī)、固體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，對(duì)熱障涂層的需求將會(huì)越來(lái)越巨大，熱障涂層將在航天、艦船、核工業(yè)、汽車(chē)等領(lǐng)域的熱端部件上擁有廣泛的應(yīng)用前景。與此同時(shí)，熱障涂層制造工藝及設(shè)備將得到不斷改進(jìn)，設(shè)計(jì)人員對(duì)帶熱障涂層的認(rèn)識(shí)將更加全面，熱障涂層工藝人員技術(shù)也將更加?jì)故臁?/p>

美國(guó)NASA( Nat ionalAeronautics and Space Adm in istration) - Lewis研究中心為了提高燃?xì)鉁u輪葉片、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的抗高溫和耐腐蝕性能,早在二十世紀(jì)50年代就提出了熱障涂層概念。在涂層的材料選擇和制備工藝上進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間的探索后, 80年代初取得了重大突破,為熱障涂層的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。文獻(xiàn)表明, 先進(jìn)熱障涂層能夠在工作環(huán)境下降低高溫發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件溫度170K左右。隨著熱障涂層在高溫發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件上的應(yīng)用, 人們認(rèn)識(shí)到熱障涂層的應(yīng)用不僅可以達(dá)到提高基體抗高溫腐蝕能力, 進(jìn)一步提高發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度的目的,而且可以減少燃油消耗、提高效率、延長(zhǎng)熱端部件的使用壽命。與開(kāi)發(fā)新型高溫合金材料相比, 熱障涂層的研究成本相對(duì)較低, 工藝也現(xiàn)實(shí)可行。

1，等離子噴涂法

2，電子束物理氣相沉積法

3，超音速火焰噴涂

4，靜電噴涂輔助氣相沉積

5，激光熔覆法

熱障涂層的主要制備技術(shù)包括:如磁控濺射、離子鍍、電弧蒸鍍、等離子噴涂技術(shù)（大氣等離子、低壓等離子噴涂技術(shù)）、電子束物理氣相沉積（EB-PVD ） 。其中，應(yīng)用最為廣泛的當(dāng)屬等離子噴涂技術(shù)以及電子束物理氣相沉積。

（1）大氣等離子噴涂

大氣等離子噴涂技術(shù)是最早應(yīng)用于熱障涂層制備的技術(shù)。它是以氫氣、氮?dú)?、氫氣等作為工作氣體，經(jīng)過(guò)電離產(chǎn)生等離子高溫射流，隨后粉末由送粉氣體經(jīng)過(guò)送粉管送入射流之中，進(jìn)入射流中的粒子迅速被加熱到熔化或熔融狀態(tài)，最后以單個(gè)粒子為單位沉積到基體的表面形成層狀堆積涂層的方法。

大氣等離子噴涂技術(shù)制備的涂層比較疏松，有很多空穴和微裂紋，其孔隙率也較高。研究表明，疏松結(jié)構(gòu)的熱障涂層比致密結(jié)構(gòu)的熱障涂層在抗熱沖擊性能和隔熱性能方面表現(xiàn)更好。從實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用來(lái)看，大氣等離子噴涂技術(shù)由于成本低、涂層制備方便、工藝成熟且沉積效率高等特點(diǎn)，在熱障涂層的制備技術(shù)中一直有著明顯的優(yōu)勢(shì)和良好的效果。

（2）低壓等離子噴涂

低壓等離子噴涂技術(shù)是上個(gè)七十世紀(jì)年代左右發(fā)展起來(lái)的一種新型的涂層制備技術(shù)。這種噴涂技術(shù)能夠降低涂層中氧化物含量，同時(shí)獲得的涂層組織形態(tài)也發(fā)生了新突破，即形成不同于傳統(tǒng)層片狀涂層結(jié)構(gòu)的等軸晶涂層。由于低壓等離子噴涂技術(shù)成本高，操作復(fù)雜，在實(shí)際的生產(chǎn)應(yīng)用中占比較少。

（3）電子束物理氣相沉積

電子束物理氣相沉積（EB-PVD）技術(shù)主要是電子束技術(shù)和物理氣相技術(shù)相互結(jié)合的產(chǎn)物。EB-PVD涂層制備的主要原理是:真空狀態(tài)下，從電子槍發(fā)射高能量密度電子束，當(dāng)電子束轟擊在YSZ原料上時(shí)，YSZ原料會(huì)瞬間氣化蒸發(fā)，隨后原料蒸氣在偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用下以原子或者分子的形式沉積到基體上，最終形成柱狀組織結(jié)構(gòu)的YSZ涂層。

EB-PVD制備出的柱狀晶結(jié)構(gòu)涂層雖然有利于提高涂層的抗熱沖擊性能，但由于柱狀晶生長(zhǎng)方向的組織過(guò)于致密，涂層的熱導(dǎo)率會(huì)高于大氣等離子噴涂制備的層片狀結(jié)構(gòu)的涂層。而且最主要的是EB-PVD技術(shù)對(duì)設(shè)備的要求高，價(jià)格昂貴，操作復(fù)雜，沉積效率低，技術(shù)難度大，工業(yè)應(yīng)用受到了較大的限制。

熱障涂層系統(tǒng)要求涂層既有良好的隔熱效果，又有抗高溫氧化及熱沖擊性能。針對(duì)在腐蝕介質(zhì)中的特殊要求，還要具有高溫耐蝕性能。熱障涂層的基本設(shè)計(jì)思想就是利用陶瓷的高耐熱性、抗腐蝕性和低導(dǎo)熱性，實(shí)現(xiàn)對(duì)基體合金材料的保護(hù)。熱障涂層主要由陶瓷表層和結(jié)合底層所組成。

熱障涂層不僅可以達(dá)到提高抗腐蝕能力，進(jìn)一步提高發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度，而且可以減少燃油消耗(據(jù)估計(jì)近20%)、延長(zhǎng)熱端部件的使用壽命；與開(kāi)發(fā)新的高溫合金材料比較，熱障涂層技術(shù)的研究發(fā)展成本要低得多，工藝也現(xiàn)實(shí)可行。因此，熱障涂層技術(shù)成為未來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件高溫防護(hù)涂層技術(shù)的發(fā)展方向。另外，熱障涂層在輪船、汽車(chē)、能源等領(lǐng)域的熱端部件上也有著廣泛的應(yīng)用與研究。 2100433B

層級(jí)熱障涂層中陶瓷層間的弱界面顯著影響涂層內(nèi)裂紋的萌生與擴(kuò)展，不同弱界面裂紋的相互競(jìng)爭(zhēng)將改變涂層系統(tǒng)的脫粘失效機(jī)制。本項(xiàng)目采用數(shù)值與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究了熱生長(zhǎng)氧化物（TGO）形貌、涂層/基底蠕變、服役條件等因素對(duì)層級(jí)熱障涂層應(yīng)力演化的影響規(guī)律，獲得了裂紋萌生機(jī)理；開(kāi)發(fā)了多界面裂紋擴(kuò)展數(shù)值算法，闡明了層級(jí)熱障涂層組元特征對(duì)弱界面裂紋擴(kuò)展行為的影響，建立了涂層系統(tǒng)增韌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)制圖。研究表明：（1）層級(jí)熱障涂層在長(zhǎng)時(shí)氧化過(guò)程中，由于高溫蠕變的作用，將使涂層系統(tǒng)在高溫下形成無(wú)應(yīng)力狀態(tài)，而在服役冷卻階段，殘余應(yīng)力幾乎不受TGO生長(zhǎng)的影響，TGO生長(zhǎng)導(dǎo)致的非彈性變形才是涂層裂紋萌生的主要原因，而非傳統(tǒng)認(rèn)為的高溫生長(zhǎng)應(yīng)力；（2）粗糙界面導(dǎo)致的應(yīng)力集中主要集中在局部區(qū)域范圍，當(dāng)內(nèi)陶瓷層厚度足夠厚時(shí)（大于90 μm），TGO引起的應(yīng)力集中區(qū)域與陶瓷層間粗糙界面的應(yīng)力集中區(qū)域互不影響；（3）雙陶瓷層熱障涂層熱震壽命、剝離速率及失效模式均與兩層陶瓷層的厚度比密切相關(guān)，隨著外陶瓷層與內(nèi)陶瓷層厚度比增加，涂層系統(tǒng)的失效模式逐漸從外陶瓷層的層狀剝落，轉(zhuǎn)變成陶瓷層間弱界面附近處的剝離；（4）表面裂紋密度是影響層級(jí)熱障涂層界面裂紋擴(kuò)展行為的關(guān)鍵因素，當(dāng)表面裂紋密度較低時(shí)，界面裂紋尖端驅(qū)動(dòng)力對(duì)陶瓷層之間的材料性能和幾何參數(shù)十分敏感，即陶瓷層總厚度較厚、外陶瓷層的厚度比較高、或外陶瓷層模量較高時(shí)，均會(huì)使得界面裂紋驅(qū)動(dòng)力增加，導(dǎo)致涂層過(guò)早剝落；然而，當(dāng)垂直裂紋密度足夠高時(shí)，上述影響將會(huì)變的十分微弱；因此，在雙陶瓷層熱障涂層內(nèi)主動(dòng)預(yù)制足夠密集的垂直裂紋，可允許使用更厚和剛度更高的外陶瓷層，從而獲得更好的隔熱性能;（5）當(dāng)粘結(jié)層具有中等程度的斷裂韌性時(shí)，陶瓷層內(nèi)的垂直裂紋首先偏轉(zhuǎn)進(jìn)入陶瓷層與粘接層界面，在該界面裂紋擴(kuò)展過(guò)程中，粘接層內(nèi)會(huì)發(fā)生垂直裂紋萌生，使兩個(gè)界面同時(shí)發(fā)生開(kāi)裂，弱界面裂紋的競(jìng)爭(zhēng)擴(kuò)展可一定程度提高涂層應(yīng)變?nèi)菹蕖?2100433B

層級(jí)熱障涂層是解決重型燃?xì)廨啓C(jī)高溫部件超高溫?zé)嵴系闹匾侄?，陶瓷層?jí)間的弱界面會(huì)對(duì)涂層系統(tǒng)的失效機(jī)理產(chǎn)生顯著影響。因此，研究涂層中弱界面裂紋間的競(jìng)爭(zhēng)機(jī)理對(duì)分析涂層系統(tǒng)失效至關(guān)重要。本項(xiàng)目以新型耐高溫材料涂覆于傳統(tǒng)陶瓷涂層上形成的雙陶瓷層熱障涂層為對(duì)象，發(fā)展處理異質(zhì)材料界面多裂紋任意路徑擴(kuò)展數(shù)值算法，結(jié)合原位觀測(cè)斷裂實(shí)驗(yàn)，研究層級(jí)熱障涂層中弱界面裂紋的萌生及擴(kuò)展行為，考察層級(jí)組元的幾何、材料、界面形貌等特征對(duì)弱界面裂紋擴(kuò)展路徑的影響機(jī)制，分析不同弱界面處裂紋裂尖驅(qū)動(dòng)力的演變規(guī)律，揭示弱界面裂紋間的競(jìng)爭(zhēng)機(jī)理，初步建立層級(jí)熱障涂層失效準(zhǔn)則。本項(xiàng)目的研究可為新型熱障涂層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度評(píng)價(jià)提供理論基礎(chǔ)。

熱障涂層，由于其隔熱性好，抗氧化，耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪葉片等熱端部件上。熱障涂層在制備過(guò)程中，制備工藝復(fù)雜，其工藝參數(shù)變化會(huì)直接影響熱障涂層的厚度和孔隙率等結(jié)構(gòu)性能，而其結(jié)構(gòu)性能又直接影響其熱障效果。因此，研究熱障涂層的結(jié)構(gòu)性能檢測(cè)及健康監(jiān)測(cè)具有重要的學(xué)術(shù)意義和工程實(shí)用價(jià)值。 本項(xiàng)目針對(duì)熱障涂層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用微波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)對(duì)涂層進(jìn)行了結(jié)構(gòu)性能檢測(cè)研究。 其主要工作如下： (1) 建立了微波反射系數(shù)法檢測(cè)熱障涂層的理論模型。通過(guò)對(duì)理論模型的計(jì)算可知，利用微波信號(hào)的反射系數(shù)可以表征熱障涂層中各介質(zhì)層的厚度、與介電常數(shù)有關(guān)的物理特性、合金層表面的健康狀況以及各層間的脫粘狀況等。理論模型的研究表明，在檢測(cè)中探頭的特性、工作頻率以及提離距離會(huì)影響檢測(cè)靈敏度。 (2) 規(guī)則波導(dǎo)探頭的參數(shù)敏感性分析。根據(jù)微波在波導(dǎo)中的傳輸條件，確定了波導(dǎo)中單模傳播時(shí)波導(dǎo)尺寸與工作頻率間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以簡(jiǎn)化微波檢測(cè)過(guò)程中模態(tài)分析的過(guò)程。根據(jù)微波在不同形狀波導(dǎo)中的傳播特點(diǎn)，以及檢測(cè)空間分辨率的要求，分析了如何根據(jù)工作頻率選擇合適的波導(dǎo)探頭；并分析了波導(dǎo)探頭法蘭對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。 (3) 微波檢測(cè)熱障涂層時(shí)檢測(cè)參數(shù)的優(yōu)化研究。利用CST微波工作室仿真軟件對(duì)檢測(cè)過(guò)程中工作頻率和提離距離等參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。在接觸式檢測(cè)中，主要對(duì)檢測(cè)的工作頻率進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，根據(jù)優(yōu)化的工作頻率選擇合適的波導(dǎo)探頭進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)以達(dá)到較高的檢測(cè)靈敏度；在非接觸式檢測(cè)中，主要對(duì)提離距離進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，為掃描檢測(cè)時(shí)提離距離的選擇奠定了理論基礎(chǔ)。 (4) 微波檢測(cè)熱障涂層的試驗(yàn)研究。根據(jù)檢測(cè)參數(shù)優(yōu)化結(jié)果，利用網(wǎng)絡(luò)分析儀E8363C對(duì)熱障涂層的厚度和孔隙率進(jìn)行了微波無(wú)損檢測(cè)試驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明：利用微波信號(hào)的反射系數(shù)相位差,在檢測(cè)工作頻率范圍內(nèi)可以很好地表征熱障涂層厚度的變化;在敏感工作頻率處，可以表征熱障涂層孔隙率的變化。并對(duì)微波檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行了標(biāo)定。 (5) 熱障涂層健康狀況的毫米波無(wú)損檢測(cè)研究。選用了多種型號(hào)的終端開(kāi)口矩形波導(dǎo)作為探頭，在毫米波波段對(duì)熱障涂層系統(tǒng)中常見(jiàn)的缺陷進(jìn)行了無(wú)損檢測(cè)研究，檢測(cè)中利用信號(hào)的反射系數(shù)相位差來(lái)表征被檢測(cè)參數(shù)的變化。在毫米波段可以實(shí)現(xiàn)對(duì)熱障涂層中裂縫、脫粘和TGO層的微波無(wú)損檢測(cè)；利用高頻率段的探頭進(jìn)行檢測(cè)可以明顯提高檢測(cè)靈敏度。 2100433B