文獻綜述-董自超.doc

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1、1.前言苛刻高溫環(huán)境下服役的工程合金材料，不僅要有足夠的高溫強度，還要具有良好的抗高溫氧化性能，單靠合金本身很難同時滿足這兩個要求，多數(shù)情況下需要高溫防護涂層，以合金本身滿足力學性能要求，以表面涂層提高其抗高溫氧化能力[3-3]。在過去的幾十年時間中，主要通過發(fā)展燃氣發(fā)動機零部件用材料和制備技術(shù)來提高燃氣溫度，40～70年代研制出的一系列高溫合金體系,工作溫度也已從760℃提高到1050℃[9-1～4]。圖1顯示了發(fā)動機工作溫度的提高伴隨著材料研究的發(fā)展過程。從鍛造合金發(fā)展到常規(guī)鑄造合金，再從定向凝固合金發(fā)展到單晶材料，材

2、料使用溫度提高近300℃，已經(jīng)接近金屬使用極限溫度[3-2]。【9】據(jù)當今主要的燃氣渦輪機生產(chǎn)廠商提供的數(shù)據(jù)顯示:普通用途的燃氣渦輪機葉片的使用溫度范圍在960～1100℃；軍用飛機中的燃氣輪機燃氣溫度高達1600℃；商用飛機的燃氣輪機燃氣溫度也高達1500℃。然而用于生產(chǎn)渦輪葉片的鎳基超強耐熱合金的最高工作溫度只有1100℃。隨著燃氣輪機向高進氣溫度方向的發(fā)展,傳統(tǒng)的鎳基和鈷基超耐熱合金、定向結(jié)晶合金甚至單晶合金已不能完全滿足燃氣輪機高溫部件的要求,使用空氣冷卻系統(tǒng)和冷卻信道的改進也只能獲得有限的冷卻效果使用空氣冷卻系統(tǒng)

3、和冷卻通道的改進也只能獲得有限的冷卻效果[2-3,4]。相對于開發(fā)新型高溫耐熱合金材料基體來講,致力于燃氣輪機渦輪葉片的保護其成本要低得多[7-1]。通過在高溫部件上制備一層300～500μm熱障涂層可起到隔熱作用來提高燃氣使用溫度,降低金屬基體工作溫度,顯著提高燃氣輪機效率、減少燃油消耗(近20%[9-12])、延長使用壽命等效果,因此得到了廣泛的應用[2-5][7-2,3]。然而熱障涂層的應用也有缺點：轉(zhuǎn)子葉片載荷的增加從而影響盤的壽命,葉型氣動力損失,加工成本提高。在實際應用中,熱障涂層的效益視具體的應用而異。不過這

4、些效益在很大程度上會與應用帶來的缺點相抵消,一般來說,總效益是有利的[13]。文獻表明,目前先進陶瓷熱障涂層能在工作環(huán)境下降低零件溫度170℃左右[5-1～3]。2.熱障涂層概況熱障涂層(Thermalbarriercoatings，簡稱TBCs)一般是指由0.25～0.35mm厚頂部陶瓷層(CeramicTopCoating)和0.1～0.15mm厚的底部的金屬粘結(jié)層(BondCoating)組成的涂層系統(tǒng)[2、3、6]。通常沉積在金屬或者合金基體表面，具有的良好隔熱效果,主要用來降低基體的工作溫度，免受高溫氧化、腐蝕以

5、及磨損[2-5]。根據(jù)涂層結(jié)構(gòu)及厚度的不同，有熱障涂層比無熱障涂層的基體表面的溫度可降低100-300℃【1】。因此具有隔熱與抗氧化作用，且有結(jié)構(gòu)簡單、耐熱能力強等優(yōu)點。【14】由于粘結(jié)層長期高溫使用的氧化,在粘結(jié)層（BC）和陶瓷層（TC）之間將生成一層氧化物,即熱生長氧化物(ThermallyGrownOxide,簡稱TGO)[2]，厚度為1～10μm,而涂層的破壞通常發(fā)生在結(jié)合層和熱氧化層之間，因為TGO是TBCs系統(tǒng)中的最薄弱環(huán)節(jié)，是裂紋擴展的通道[14]。TBCS主要包括雙層、多層和梯度系統(tǒng)三種結(jié)構(gòu)形式。其中多層和

6、梯度涂層的制備較為復雜和困難且重復性差受到限制，而雙層系統(tǒng)制備工藝簡單、隔熱能力強,是目前實際應用最多的形式，也是本文將討論的涂層結(jié)構(gòu)類型?！?+4】典型的熱障涂層系統(tǒng)所包含的四部分如圖2所示。[1][4]2.1陶瓷頂層(CeramicTopCoating)：熱障涂層的基本設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。因此,對適用于作為熱障涂層的材料提出了以下一些要求[3-7]：1)高熔點（>2000K）；2)低密度；3)較高的熱反射率；4)良好的抗熱沖擊性能；5)較低的蒸氣壓；6)較高的抗

7、高溫氧化及抗高溫腐蝕的能力7)較低的熱導率（<2.5W*m-1*K-1）；8)較高的熱膨脹系數(shù)與基體材料相匹配（熱膨脹系數(shù)>10×10-6K-1）碩1。9）抗燒結(jié)碩1陶瓷材料具有離子鍵或共價鍵結(jié)構(gòu),鍵能高,因此熔點高、硬度高、化學性能穩(wěn)定,是熱障涂層的理想材料。但韌性、抗疲勞性和抗熱震性較差,對應力集中和裂紋敏感。目前使用的熱障涂層陶瓷材料多為金屬氧化物,這是因為金屬氧化物陶瓷的導熱以聲子傳導和光子傳導機理為主,熱導率較低且其涂層在富氧環(huán)境中具有良好的高溫穩(wěn)定性[5-7]。常用氧化物陶瓷的導熱順序為[5-8]:BeO>Mg

8、O>Al2O3>CaO>ZrO2常用熱障涂層陶瓷材料有Al2O3、ZrO2、SiO2等,主要性能如表1所示[5-6,810]下圖是一些常用陶瓷材料的熱導率和熱膨脹系數(shù)比較圖[1-8]。[1-8]研究表明[5-1,2,4,9～12，14],ZrO2是目前國內(nèi)外研究最多、應用廣泛、綜合性能最好的熱障涂層材料