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1、·44·材料导报2006年10月第20卷第10期3热障涂层热导率的研究进展史国栋,陈贵清,梁军,杜善义(哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所,哈尔滨150001)摘要简要回顾了热障涂层体系的发展,讨论了氧化锆陶瓷材料的传热规律,包括涂层微观结构、陶瓷成分等因素的影响。同时指出了改进陶瓷涂层热导率的方法和开发适用于更高温度下的陶瓷涂层材料的指导原则,并详细介绍了改善热障涂层热导率的研究现状。关键词热障涂层热导率氧化锆ResearchonThermalConductivityofThermalBarrierCoatingsSHIGuodong,CHENGuiqing,LIANGJun
2、,DUShanyi(CenterforCompositeMaterials,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001)AbstractThispaperreviewsbrieflythedevelopmentofvariousthermalbarriercoating(TBC)systemsanddiscussestheoriesaboutheattransferwithinzirconiabasedceramics,includingtheinfluenceofcoatingmicrostructure,ceramiccompositi
3、onandsoon.Themethodstodecreasethethermalconductivityofceramiccoatingsandguidelinestodevelopalternativematerialsforthermalbarriercoatingsathighertemperatureareshown.Moreover,thestatusofstudyonTBCswithlowerthermalconductivityisintroducedindetail.Keywordsthermalbarriercoating,thermalconductivit
4、y,zirconia晶格振动对热传导的贡献(kP)可表示为:0前言1kP=Cvρv0lP(1)3随着航空燃气轮机向高流量比、高推重比、高进口温度的方式中:Cv是单位体积热容ρ,是密度,v0是声子速度(通常取固向发展,燃烧室中的燃气温度和压力不断提高。为适应这一恶体中的声速),lP是声子的平均自由程。劣的工作环境,发展了热障涂层(TBCs)。其作用是降低热端部[1]件的工作温度,防止部件的高温腐蚀。早在20世纪50年代末,发动机热端部件采用等离子喷涂(PS)[1]热障涂层的研究工作就已开始。70年代初,热障涂层首次被成功应用于军用发动机上,其以NiCr合金作粘结底层,以MgO稳定
5、ZrO2陶瓷作顶层,用大气等离子(APS)喷涂于TDNi上。而后改用MCrAlY作粘结层,为改善涂层冷却剥落的缺点,减少裂纹以及改善隔热性能,用8wt%Y2O3稳定的ZrO2作陶瓷顶层,采用EB2PVD方法制备Y2PSZ陶瓷层。它具备柱状晶结构,模量低,冷热循环寿命优于等离子喷涂。目前,先进的陶瓷热障涂层已能在工作环境下使涡轮叶片温度降低170℃以[2,3]上。但是,为了开发出具有更高效率的发动机,人们希望能够不图1单晶锗的热导率随温度变化曲线断地升高发动机的温度,因此一直在寻求热导率更低的热障涂Fig.1Thetemperaturedependenceofthethermal
6、层材料。conductivityofsinglecrystalgermanium1热障涂层的传热理论[4]晶体的热导率是温度的函数。图1以单晶锗为例,描述晶体中存在3种传热机制:电子传热、晶格振动传热、辐射。了晶体热导率随温度变化的情况(数据是按对数坐标的形式来由于纯态和掺杂的氧化锆都是电的绝缘体,所以电子对这个体反映热导率随温度的变化)。图中分为4个区域,在极低的温度3系的传热不起作用,起作用的则是晶格振动(声子)和辐射(光(小于20K)下,温度升高时,热导率快速增大,并随T变化。温子)。度进一步升高时,热导率达到最大值,之后随温度的升高而减3国家自然科学基金(9040501
7、6);博士点专项基金(20040213034)史国栋:男,1978年生,博士研究生,主要从事防热材料的研究工作Tel:0451286402432E2mail:shiguodong78@sohu.com热障涂层热导率的研究进展/史国栋等·45·小。当温度升高到Ⅲ区域时,由于非谐性声子散射的作用,晶体降低声子的平均自由程。的热导率大致随1/T而变化。Berman以德拜温度ΘD的形式涂层的微观结构主要取决于采用的沉积方法。PS陶瓷层[4]给出了晶体在Ⅲ区域时的热导率:的热导率最低(018～111W
