熱障涂層應(yīng)用

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越高，已達到高溫合金和單晶材料的極限狀況。以燃料輪機的受熱部件如噴嘴、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1100℃，已超過了高溫鎳合金使用的極限溫度（1075℃）。將金屬的高強度、高韌性與陶瓷的耐高溫的優(yōu)點結(jié)合起來所制備出的熱障涂層能解決上述問題，它能起到隔熱、抗氧化、防腐蝕的作用，已在汽輪機、柴油發(fā)電機、噴氣式發(fā)動機等熱端材料上取得一定應(yīng)用，并延長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、化學穩(wěn)定性好，具有防止高溫腐蝕、延長熱端部件使用壽命、提高發(fā)動機功率和減少燃油消耗等優(yōu)點，TBCs的出現(xiàn)為大幅度改進航空發(fā)動機的性能開辟了新途徑。自20世紀70年代以來，美國、英國、法國、日本等發(fā)達工業(yè)化國家都競相發(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)動機熱端部件上。

熱障涂層在我國航空發(fā)動機渦輪葉片上的應(yīng)用研究已經(jīng)開始并得到重視，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)動機和地面燃氣輪機的綜合性能，延長其使用壽命，是高性能發(fā)動機和燃氣輪機研制的關(guān)鍵技術(shù)之一，隨著我國大飛機、地面燃氣輪機、固體燃料發(fā)動機技術(shù)的不斷進步，對熱障涂層的需求將會越來越巨大，熱障涂層將在航天、艦船、核工業(yè)、汽車等領(lǐng)域的熱端部件上擁有廣泛的應(yīng)用前景。與此同時，熱障涂層制造工藝及設(shè)備將得到不斷改進，設(shè)計人員對帶熱障涂層的認識將更加全面，熱障涂層工藝人員技術(shù)也將更加嫻熟。

美國NASA( Nat ionalAeronautics and Space Adm in istration) - Lewis研究中心為了提高燃氣渦輪葉片、火箭發(fā)動機的抗高溫和耐腐蝕性能,早在二十世紀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行較長時間的探索后, 80年代初取得了重大突破,為熱障涂層的應(yīng)用奠定了堅實基礎(chǔ)。文獻表明, 先進熱障涂層能夠在工作環(huán)境下降低高溫發(fā)動機熱端部件溫度170K左右。隨著熱障涂層在高溫發(fā)動機熱端部件上的應(yīng)用, 人們認識到熱障涂層的應(yīng)用不僅可以達到提高基體抗高溫腐蝕能力, 進一步提高發(fā)動機工作溫度的目的,而且可以減少燃油消耗、提高效率、延長熱端部件的使用壽命。與開發(fā)新型高溫合金材料相比, 熱障涂層的研究成本相對較低, 工藝也現(xiàn)實可行。

隨著航空工業(yè)的發(fā)展，渦輪發(fā)動機的推重比越來越高，渦輪前進口溫度也越來越高。根據(jù)國內(nèi)外材料的研究歷程，在短時期內(nèi)通過提高材料的使用溫度來實現(xiàn)渦輪葉片耐高溫能力大的提升具有相當大的難度，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。未來熱障涂層技術(shù)的發(fā)展將著重研究以下幾個方面：

①研究適用于下一代超聲速發(fā)動機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)速率和導熱系數(shù)的陶瓷材料是其中的關(guān)鍵。

②對現(xiàn)有涂層體系的材料及制備工藝的優(yōu)化研究和機理研究，包括對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)的改進和優(yōu)化，以及對梯度涂層技術(shù)的進一步研究，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，通過實驗?zāi)M測試涂層的隔熱情況即溫度梯度，并結(jié)合傳熱學理論，根據(jù)涂層材料的導熱系數(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)計涂層厚度提供依據(jù)，也為涂層的改進提供方向。

④熱障涂層壽命預(yù)測模型的進一步研究，若將熱障涂層應(yīng)用于渦輪發(fā)動機高危險部位，必須建立發(fā)動機壽命預(yù)測系統(tǒng)以保證安全。因此，進一步研究熱障涂層剝落失效機理及服役條件下的力學行為等，建立較為完善的壽命預(yù)測模型，從而較為準確地評估涂層的服役壽命，為熱障涂層的實際應(yīng)用提供可靠的保障。

⑤發(fā)展新的涂層性能檢測技術(shù)，尤其是無損檢測技術(shù)，準確表征涂層與基體的結(jié)合力、涂層開裂程度、相變程度等性能，更好地實現(xiàn)對涂層質(zhì)量的控制。

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、氮氣、氫氣等作為工作氣體，經(jīng)過電離產(chǎn)生等離子高溫射流，隨后粉末由送粉氣體經(jīng)過送粉管送入射流之中，進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。從實際生產(chǎn)應(yīng)用來看，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，在熱障涂層的制備技術(shù)中一直有著明顯的優(yōu)勢和良好的效果。

（2）低壓等離子噴涂

低壓等離子噴涂技術(shù)是上個七十世紀年代左右發(fā)展起來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，操作復雜，在實際的生產(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，當電子束轟擊在YSZ原料上時，YSZ原料會瞬間氣化蒸發(fā)，隨后原料蒸氣在偏轉(zhuǎn)磁場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，但由于柱狀晶生長方向的組織過于致密，涂層的熱導率會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)對設(shè)備的要求高，價格昂貴，操作復雜，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)計思想就是利用陶瓷的高耐熱性、抗腐蝕性和低導熱性，實現(xiàn)對基體合金材料的保護。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到提高抗腐蝕能力，進一步提高發(fā)動機工作溫度，而且可以減少燃油消耗(據(jù)估計近20%)、延長熱端部件的使用壽命；與開發(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)實可行。因此，熱障涂層技術(shù)成為未來發(fā)動機熱端部件高溫防護涂層技術(shù)的發(fā)展方向。另外，熱障涂層在輪船、汽車、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)裂紋的萌生與擴展，不同弱界面裂紋的相互競爭將改變涂層系統(tǒng)的脫粘失效機制。本項目采用數(shù)值與試驗相結(jié)合的方法，研究了熱生長氧化物（TGO）形貌、涂層/基底蠕變、服役條件等因素對層級熱障涂層應(yīng)力演化的影響規(guī)律，獲得了裂紋萌生機理；開發(fā)了多界面裂紋擴展數(shù)值算法，闡明了層級熱障涂層組元特征對弱界面裂紋擴展行為的影響，建立了涂層系統(tǒng)增韌結(jié)構(gòu)設(shè)計機制圖。研究表明：（1）層級熱障涂層在長時氧化過程中，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生長的影響，TGO生長導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)認為的高溫生長應(yīng)力；（2）粗糙界面導致的應(yīng)力集中主要集中在局部區(qū)域范圍，當內(nèi)陶瓷層厚度足夠厚時（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熱障涂層界面裂紋擴展行為的關(guān)鍵因素，當表面裂紋密度較低時，界面裂紋尖端驅(qū)動力對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，均會使得界面裂紋驅(qū)動力增加，導致涂層過早剝落；然而，當垂直裂紋密度足夠高時，上述影響將會變的十分微弱；因此，在雙陶瓷層熱障涂層內(nèi)主動預(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）當粘結(jié)層具有中等程度的斷裂韌性時，陶瓷層內(nèi)的垂直裂紋首先偏轉(zhuǎn)進入陶瓷層與粘接層界面，在該界面裂紋擴展過程中，粘接層內(nèi)會發(fā)生垂直裂紋萌生，使兩個界面同時發(fā)生開裂，弱界面裂紋的競爭擴展可一定程度提高涂層應(yīng)變?nèi)菹蕖?2100433B

層級熱障涂層是解決重型燃氣輪機高溫部件超高溫熱障的重要手段，陶瓷層級間的弱界面會對涂層系統(tǒng)的失效機理產(chǎn)生顯著影響。因此，研究涂層中弱界面裂紋間的競爭機理對分析涂層系統(tǒng)失效至關(guān)重要。本項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象，發(fā)展處理異質(zhì)材料界面多裂紋任意路徑擴展數(shù)值算法，結(jié)合原位觀測斷裂實驗，研究層級熱障涂層中弱界面裂紋的萌生及擴展行為，考察層級組元的幾何、材料、界面形貌等特征對弱界面裂紋擴展路徑的影響機制，分析不同弱界面處裂紋裂尖驅(qū)動力的演變規(guī)律，揭示弱界面裂紋間的競爭機理，初步建立層級熱障涂層失效準則。本項目的研究可為新型熱障涂層結(jié)構(gòu)設(shè)計和強度評價提供理論基礎(chǔ)。

熱障涂層，由于其隔熱性好，抗氧化，耐腐蝕等優(yōu)點，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到發(fā)動機的渦輪葉片等熱端部件上。熱障涂層在制備過程中，制備工藝復雜，其工藝參數(shù)變化會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)性能檢測及健康監(jiān)測具有重要的學術(shù)意義和工程實用價值。 本項目針對熱障涂層結(jié)構(gòu)特點，采用微波無損檢測技術(shù)對涂層進行了結(jié)構(gòu)性能檢測研究。 其主要工作如下： (1) 建立了微波反射系數(shù)法檢測熱障涂層的理論模型。通過對理論模型的計算可知，利用微波信號的反射系數(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，在檢測中探頭的特性、工作頻率以及提離距離會影響檢測靈敏度。 (2) 規(guī)則波導探頭的參數(shù)敏感性分析。根據(jù)微波在波導中的傳輸條件，確定了波導中單模傳播時波導尺寸與工作頻率間的對應(yīng)關(guān)系，以簡化微波檢測過程中模態(tài)分析的過程。根據(jù)微波在不同形狀波導中的傳播特點，以及檢測空間分辨率的要求，分析了如何根據(jù)工作頻率選擇合適的波導探頭；并分析了波導探頭法蘭對檢測結(jié)果的影響。 (3) 微波檢測熱障涂層時檢測參數(shù)的優(yōu)化研究。利用CST微波工作室仿真軟件對檢測過程中工作頻率和提離距離等參數(shù)進行了優(yōu)化設(shè)計。在接觸式檢測中，主要對檢測的工作頻率進行了優(yōu)化設(shè)計，根據(jù)優(yōu)化的工作頻率選擇合適的波導探頭進行無損檢測以達到較高的檢測靈敏度；在非接觸式檢測中，主要對提離距離進行了優(yōu)化設(shè)計，為掃描檢測時提離距離的選擇奠定了理論基礎(chǔ)。 (4) 微波檢測熱障涂層的試驗研究。根據(jù)檢測參數(shù)優(yōu)化結(jié)果，利用網(wǎng)絡(luò)分析儀E8363C對熱障涂層的厚度和孔隙率進行了微波無損檢測試驗研究。研究結(jié)果表明：利用微波信號的反射系數(shù)相位差,在檢測工作頻率范圍內(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。并對微波檢測結(jié)果進行了標定。 (5) 熱障涂層健康狀況的毫米波無損檢測研究。選用了多種型號的終端開口矩形波導作為探頭，在毫米波波段對熱障涂層系統(tǒng)中常見的缺陷進行了無損檢測研究，檢測中利用信號的反射系數(shù)相位差來表征被檢測參數(shù)的變化。在毫米波段可以實現(xiàn)對熱障涂層中裂縫、脫粘和TGO層的微波無損檢測；利用高頻率段的探頭進行檢測可以明顯提高檢測靈敏度。 2100433B