熱障涂層與環境障涂層
關注創建者：匿名 創建時間：2026-01-04
熱障涂層與環境障涂層的實例教程
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展開 航空發動機服役環境極為苛刻，包括高溫氧化、水氧腐蝕、粒子沖蝕等多重因素耦合作用。針對未來航空發動機陶瓷基復合材料熱端部件環境障涂層，其主要面臨環境腐蝕物侵蝕的挑戰。目前，環境障涂層通常采用大氣等離子噴涂、等離子噴涂-物理氣相沉積方法來制備，但鑒于其沉積機理，涂層中避免不了存在少量的開孔及裂紋，這就為環境中的腐蝕介質提供了滲透路徑，造成涂層失效。
來自廣東省科學院新材料研究所與西安交通大學的研究人員合作，提出了壓滲熔融鋁的方法來封堵涂層中的開孔及微裂紋，重點從熱力學角度分析了熔融鋁在孔隙中浸滲的困難性。結果表明，通過控制外壓可獲得良好的浸滲效果，這一研究結果有望為制備高致密環境障涂層提供新思路。相關論文以題為“Infiltrationthermodynamics in wrinkle-pores of thermal sprayed coatings”發表在Applied Surface Science (董琳為第一作者、劉梅軍和張小鋒為通訊作者)。
論文鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0169433220336060
圖 TBCs的截面組織
該研究首先基于真實涂層的復雜孔隙結構建立了開放孔隙幾何模型——“褶皺孔”，以及熔體浸滲的物理模型和數學模型。通過數學模型計算獲得了熔體能量隨浸滲深度的變化規律，發現在浸滲過程中熔體能量出現多個平衡態，只有克服平衡態之后的能壘，熔體才能繼續浸滲。進而通過計算驅動力、分力等，得知外壓降低能量、驅動浸滲，內壓升高能量、阻礙浸滲，而造成能壘的主要因素是彎曲液面附加壓即毛細力，如圖1所示。
展開 1.2.2 試驗方法
在外界環境溫度為常溫25℃，外部空氣為自然對流，爐內溫度為400℃時對試片的結構進行了試驗測試研究。
試驗使用了樹脂填充熱障涂層和氧化鋯熱障涂層，首先通過在基體表面設置黏結層，然后在黏結層表面進行等離子噴涂。樹脂填充熱障涂層和氧化鋯熱障涂層的物性參數見表1。樹脂填充熱障涂層試片和氧化鋯熱障涂層試片分別如圖3和圖4所示。
在5mm厚鋼板一側涂覆5mm厚涂層，將涂覆涂層的一側緊貼于加熱爐窗口處，加熱爐內部升溫至400℃，試片另一側的金屬板與大氣相通，并保持2h。
2 研究結果及分析
通過對涂有樹脂填充熱障涂層和氧化鋯熱障涂層的鋼板在不同涂層厚度下進行數值仿真和試驗測試，得到兩種涂層材料在不同涂層厚度下對試片鋼板溫度的影響規律。
圖3 樹脂填充熱障涂層試片
Fig.3 Resin filled thermal barrier coating test piece
圖4 氧化鋯熱障涂層試片
Fig.4 Zirconia thermal barrier coating test piece
2.1 不同涂層材料結果分析
2.1.1 仿真結果分析
通過對涂有相同厚度的兩種熱障涂層進行仿真分析，得到兩種涂層材料對試片鋼板溫度分布的影響。
樹脂填充熱障涂層和氧化鋯熱障涂層仿真結果如圖5和圖 6 所示。由圖 5 和圖 6 可見，樹脂填充熱障涂層情況下，試片鋼板的最低溫度為94.6℃，最高溫度為147.8℃；氧化鋯熱障涂層情況下，試片鋼板的最低溫度為138.0℃，最高溫度為239.2℃。由此可見，樹脂填充熱障涂層的隔熱性能優于氧化鋯熱障涂層。
展開 傳統熱障涂層制備方法包括大氣等離子噴涂(APS)和電子束-物理氣相沉積(EB-PVD)，近年來由于發動機設計要求不斷提高，發展一種新型熱障涂層制備技術十分迫切。近十年來，國內外逐漸提出并發展了一種等離子噴涂-物理氣相沉積(PS-PVD)新型熱障涂層制備技術，通過工藝調控可實現非視線沉積，并獲得層狀、柱狀及其混合結構涂層，顯示出巨大的應用前景。廣東省科學院新材料研究所以下一代航空發動機渦輪葉片熱障涂層等國家需求為導向，圍繞PS-PVD技術開展了長達8年的基礎研究，在7YSZ熱障涂層沉積機理方面認識不斷加深，總結如下。
研究團隊前期發現，羽毛柱狀7YSZ涂層的形成過程經歷基元形成(晶粒生長)和涂層序構(羽毛柱狀形成)兩個步驟(圖1)。晶粒生長包括非均勻形核和均勻形核，非均勻形核是指當噴涂距離在焰流中部位置時，7YSZ分子、離子或原子以異質基體為表面發生非均勻形核，其涂層結構與基體預熱溫度有關。高基體溫度及高表面能材料使涂層趨向島狀模型生長，涂層呈柱狀結構，相反低基體溫度及低表面能材料時，涂層趨向于層狀模型生長，涂層為柱狀晶和細晶混合結構或完全為細晶結構。均勻形核是指當噴涂距離較遠即在等離子焰流尾端，氣相7YSZ粒子在焰流中依靠能量變化發生均勻形核形成晶胚，晶胚長大形成納米晶粒，納米晶粒在表面能的作用下團聚形成團簇結構，最終在基體上涂層為疏松的細晶結構。(J. Euro Ceram.,2016, 36:697-703; Chinese J. Aero., 2018, 31:820-825; 中國科學：技術科學, 2019, 49:1-12)。
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<p>個人從事熱障涂層和環境障涂層涂層方向近十年，主要研究涂層的破壞機理和結構設計，在國際知名期刊上已發表SCI論文30余篇，主持國自然、博后基金等多項課題，對相關子程序開發、模型建立、程序調試、論文書寫、投稿/修稿/審稿等有一定經驗，現公開收徒自愿學習該方向的涂層研究者，也希望大家共同探討中能解決更多的學術難題，共同進步！
熱障涂層是先進航空發動機渦輪葉片三大關鍵技術之一，在改善發動機性能、使用壽命等方面發揮著重要作用。傳統熱障涂層制備方法包括大氣等離子噴涂(APS)和電子束-物理氣相沉積(EB-PVD)，近年來由于發動機設計要求不斷提高，發展一種新型熱障涂層制備技術十分迫切。近十年來，國內外逐漸提出并發展了一種等離子噴涂-物理氣相沉積(PS-PVD)新型熱障涂層制備技術，通過工藝調控可實現非視線沉積，并獲得層狀、柱
航空發動機服役環境極為苛刻，包括高溫氧化、水氧腐蝕、粒子沖蝕等多重因素耦合作用。針對未來航空發動機陶瓷基復合材料熱端部件環境障涂層，其主要面臨環境腐蝕物侵蝕的挑戰。目前，環境障涂層通常采用大氣等離子噴涂、等離子噴涂-物理氣相沉積方法來制備，但鑒于其沉積機理，涂層中避免不了存在少量的開孔及裂紋，這就為環境中的腐蝕介質提供了滲透路徑，造成涂層失效。
來自廣東省科學院新材料研究所與西安交通大學的研究人員合作
導語：
要想使航空發動機獲得更大的推重比，就必須提高發動機渦輪前的進口溫度，因此對航空發動機燃燒室、渦輪葉片等熱端部件的抗高溫能力的要求相應提高。在基體合金表面涂覆熱障涂層是有效提升其抗高溫能力的途徑之一 。昆明理工大學材料科學與工程學院馮晶教授的團隊目前正在研究一種新型陶瓷熱障涂層材料，有望使我國的熱障涂層技術在國際上產生跨越式、領跑式的發展。（結尾有彩蛋！）
