先进热障涂层的综述.doc

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1、关于先进热障涂层的综述摘要：在过去的几十年屮，许多陶瓷材料都被作为新型的热障涂层材料，其屮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。另一方血，由于YSZ有一些缺点，尤其是在1200°C以上时它有限的高温性能使得在先进的燃气轮机屮YSZ被其他材料所取代。木篇文献是对不同新型涂层材料的综述，尤其是参杂氧化偌、烧绿石、钙钛矿和氯酸盐等材料。文献的结果还有rh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i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

2、钻、烧绿石、钙钛矿、氯酸盐、热导率简介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（儿百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乂可以提高涡轮发动机的点火温度来提高它的工作效率。619世纪50年代第一个军用发动机拡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。接下来的儿I•年屮，热障涂层

3、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。在这十年屮，氧化铠稳定的氧化笫（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T艺的不同，已经确立了两种不同的方法。一种是电了束物理气相沉积（EB-PVD）,另--种是大气等离子喷涂（APS）。电子朿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屮。同电了朿物理气相沉积法相比，大气等离了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

4、。在同定的燃气轮机屮，其叶片也常使川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。这意咪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铉相和低氧化铠相。后者在冷却过程屮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。公认的上限温度杲1200°C。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，在最近的儿十年屮，

5、人们为了寻找比YSZ更好的陶瓷材料做了大量的工作。很多的综述性文献祁包含这个主题。木文提供了这个领域屮最新发展的概要。二、烧绿石为了在1300°C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。特别是一些钻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，这可能与晶体屮阳离了有着間定的位置有关。广泛的研究屮，烧绿石是稀土错酸盐（Ln2ZnO7）,其中Ln（斓）可以是La、Gd、Sm>Nd、Eu和Yb中的任意一个或是他们的混合物。一些以铅（La2Hf2O?和Gd2Hf2O?）和饰（La2Cc2O

6、?andLa2（Zn）.7Cco.3）207））为丛的材料同样也是备受关注的TBC材料。事实上，以饰为基的氧化物通常她…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"2*207屮惨杂其他元索能够提高它的烧结阻力。在烧绿冇屮，SZdOMLZ）是TBC应用最具前景的材料Z—。因为它相比YSZ具有更加出色的体特征，在2（）00°C以上时它具冇不错的热稳定性能，热导率很低1.56W/H1K,烧结倾向也很低。但它也有缺点，它的热膨胀系数较低。YSZ的热膨胀系数为10-1ixio-6K-..LZ的热膨胀系数

7、大概是9X10-6K-E由于热膨胀系数不匹配将导致较高的热应力。在这方面,Gd2ZnO7更具有优势，它的热膨胀系数是l.lxlOrl。因为基体和粘结层都具有相当高的热膨胀系数（大细5x10-61）,由于工作过程+TBC屮靠近粘结层的位置的臧力堆积使得裂纹能很容易的扩展。这可能就是为什么La2ZnO7和GdzZrzOv单独作为陶瓷顶层材料时TBC的寿命很低的原因。在双层系统屮（图1）,有一层YSZ层和一层由烧绿石材料制成的顶层。这种涂层在热循环测试屮的寿命显著提高。烧绿石制成的顶层200ymFig.1.OpticalmicrographofaLa2

8、Zr2O7/YSZdouble-layerTBC・烧绿石制成的顶展200pm图i钳酸iW/vsz双层结构热障涂层的光学显微结构在这种双层