熱障涂層
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時(shí)間：2026-03-02
熱障涂層的實(shí)例教程
試驗(yàn)使用了樹(shù)脂填充熱障涂層和氧化鋯熱障涂層，首先通過(guò)在基體表面設(shè)置黏結(jié)層，然后在黏結(jié)層表面進(jìn)行等離子噴涂。樹(shù)脂填充熱障涂層和氧化鋯熱障涂層的物性參數(shù)見(jiàn)表1。樹(shù)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(cè)涂覆5mm厚涂層，將涂覆涂層的一側(cè)緊貼于加熱爐窗口處，加熱爐內(nèi)部升溫至400℃，試片另一側(cè)的金屬板與大氣相通，并保持2h。
2 研究結(jié)果及分析
通過(guò)對(duì)涂有樹(shù)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(jìn)行數(shù)值仿真和試驗(yàn)測(cè)試，得到兩種涂層材料在不同涂層厚度下對(duì)試片鋼板溫度的影響規(guī)律。
圖3 樹(shù)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(jié)果分析
2.1.1 仿真結(jié)果分析
通過(guò)對(duì)涂有相同厚度的兩種熱障涂層進(jìn)行仿真分析，得到兩種涂層材料對(duì)試片鋼板溫度分布的影響。
樹(shù)脂填充熱障涂層和氧化鋯熱障涂層仿真結(jié)果如圖5和圖 6 所示。由圖 5 和圖 6 可見(jiàn)，樹(shù)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(jiàn)，樹(shù)脂填充熱障涂層的隔熱性能優(yōu)于氧化鋯熱障涂層。
展開(kāi) 傳統(tǒng)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(lái)由于發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)要求不斷提高，發(fā)展一種新型熱障涂層制備技術(shù)十分迫切。近十年來(lái)，國(guó)內(nèi)外逐漸提出并發(fā)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(shù)，通過(guò)工藝調(diào)控可實(shí)現(xiàn)非視線沉積，并獲得層狀、柱狀及其混合結(jié)構(gòu)涂層，顯示出巨大的應(yīng)用前景。廣東省科學(xué)院新材料研究所以下一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片熱障涂層等國(guó)家需求為導(dǎo)向，圍繞PS-PVD技術(shù)開(kāi)展了長(zhǎng)達(dá)8年的基礎(chǔ)研究，在7YSZ熱障涂層沉積機(jī)理方面認(rèn)識(shí)不斷加深，總結(jié)如下。
研究團(tuán)隊(duì)前期發(fā)現(xiàn)，羽毛柱狀7YSZ涂層的形成過(guò)程經(jīng)歷基元形成(晶粒生長(zhǎng))和涂層序構(gòu)(羽毛柱狀形成)兩個(gè)步驟(圖1)。晶粒生長(zhǎng)包括非均勻形核和均勻形核，非均勻形核是指當(dāng)噴涂距離在焰流中部位置時(shí)，7YSZ分子、離子或原子以異質(zhì)基體為表面發(fā)生非均勻形核，其涂層結(jié)構(gòu)與基體預(yù)熱溫度有關(guān)。高基體溫度及高表面能材料使涂層趨向島狀模型生長(zhǎng)，涂層呈柱狀結(jié)構(gòu)，相反低基體溫度及低表面能材料時(shí)，涂層趨向于層狀模型生長(zhǎng)，涂層為柱狀晶和細(xì)晶混合結(jié)構(gòu)或完全為細(xì)晶結(jié)構(gòu)。均勻形核是指當(dāng)噴涂距離較遠(yuǎn)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(fā)生均勻形核形成晶胚，晶胚長(zhǎng)大形成納米晶粒，納米晶粒在表面能的作用下團(tuán)聚形成團(tuán)簇結(jié)構(gòu)，最終在基體上涂層為疏松的細(xì)晶結(jié)構(gòu)。(J. Euro Ceram.,2016, 36:697-703; Chinese J. Aero., 2018, 31:820-825; 中國(guó)科學(xué)：技術(shù)科學(xué), 2019, 49:1-12)。
展開(kāi) <p>個(gè)人長(zhǎng)期從事功能涂層/防護(hù)涂層設(shè)計(jì)及失效分析研究，在斷裂仿真方面累積十多年經(jīng)驗(yàn)，在熱障涂層和環(huán)境障涂層方向研究上取得了很多成果，大家可以參考上兩個(gè)帖子，對(duì)于材料斷裂仿真、失效機(jī)理分析、新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面具有獨(dú)特見(jiàn)解，在模型調(diào)試、分析技巧、收斂性輔助等方面有很多經(jīng)驗(yàn)可以教學(xué)分享，長(zhǎng)期收徒，長(zhǎng)期教學(xué)，如有想短期內(nèi)提高斷裂分析技術(shù)或長(zhǎng)期跟學(xué)探討學(xué)習(xí)的，可以加站內(nèi)私信我或者加V?，<span style="color: rgb(25, 27, 31);">132</span>另外7927涂層8359方向如果想學(xué)習(xí)如何設(shè)計(jì)、計(jì)算、分析、發(fā)表SCI論文，也可以溝通交流，長(zhǎng)期跟學(xué)后基本可以保證1年發(fā)表1篇SCI論文，模擬需要用到的插件/子程序都免費(fèi)分享和教學(xué)。
展開(kāi) 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(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院馮晶教授的團(tuán)隊(duì)目前正在研究一種新型陶瓷熱障涂層材料，有望使我國(guó)的熱障涂層技術(shù)在國(guó)際上產(chǎn)生跨越式、領(lǐng)跑式的發(fā)展。（結(jié)尾有彩蛋！）
航空制造網(wǎng)：熱障涂層對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要性體現(xiàn)在哪些方面？國(guó)內(nèi)熱障涂層的研究及應(yīng)用處于怎樣的水平？
馮晶：航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要技術(shù)是兩盤(pán)一片和熱障涂層，熱障涂層是四大關(guān)鍵核心技術(shù)之一。航空發(fā)動(dòng)機(jī)的效率取決于溫度，溫度越高效率也越高，但提高發(fā)動(dòng)機(jī)的使用溫度，要考慮材料是否耐受，目前發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)獾娜紵郎囟瓤梢赃_(dá)到1500~1600℃，到達(dá)材料表面的溫度大概是1100℃左右。未來(lái)對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的要求將越來(lái)越高，其使用溫度可能達(dá)到1800℃、2000℃，甚至更高。那面臨的一個(gè)問(wèn)題，就是如何保證材料在這么高的溫度下還能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。目前發(fā)動(dòng)機(jī)最常用的材料是鎳基超高溫合金，其服役的最高溫度是1100℃左右，而且這個(gè)指標(biāo)事實(shí)上還很難完成，那就需要使用熱障涂層讓其達(dá)到使用要求。
發(fā)動(dòng)機(jī)葉片主要通過(guò)空冷的方法實(shí)現(xiàn)降溫，但我們還希望它能承受更多熱量，那就需要在鎳基高溫合金表面做一層陶瓷熱障涂層。
陶瓷的好處在于：它的熔點(diǎn)和強(qiáng)度比基體材料要更高，熱導(dǎo)率也更低，而低的熱導(dǎo)率會(huì)使燃?xì)夂突w之間產(chǎn)生一個(gè)溫度梯度，這個(gè)溫度梯度值越大，材料所能承受的溫度極限就越高。
傳統(tǒng)的熱障涂層材料一般使用的是氧化鋯基陶瓷，在不同的使用部位和厚度的情況下，可以使材料承受的溫度降低50~150℃。氧化鋯基陶瓷的綜合性能非常好，廣泛應(yīng)用于民航客機(jī)和軍用飛機(jī)，它對(duì)于航空飛行器的發(fā)展非常重要，是航空發(fā)動(dòng)機(jī)上重要的熱障涂層材料。
展開(kāi) <p>個(gè)人從事熱障涂層和環(huán)境障涂層涂層方向近十年，主要研究涂層的破壞機(jī)理和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在國(guó)際知名期刊上已發(fā)表SCI論文30余篇，主持國(guó)自然、博后基金等多項(xiàng)課題，對(duì)相關(guān)子程序開(kāi)發(fā)、模型建立、程序調(diào)試、論文書(shū)寫(xiě)、投稿/修稿/審稿等有一定經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)公開(kāi)收徒自愿學(xué)習(xí)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(xué)術(shù)難題，共同進(jìn)步！下面附上一些論文題目及圖片，<span style="color: rgb(25, 27, 31);">有意向或感興趣的可以扣扣105*75*93*923、唯心132*7927*83*59。</span>與該方向無(wú)關(guān)者勿擾。</p><div contenteditable="false" width="100%">
<img src="https://img.jishulink.com/upload/202305/c9791b01610242f4b3b9ae74dcd9a794.jpg" title="1.jpg" alt="1.jpg" style="max-width: 760px; width: 385px; height: 228px;" width="385" height="228" data-mobile-src="https://img.jishulink.com/upload/202305/c9791b01610242f4b3b9ae74dcd9a794.jpg?image_process=/format,webp/resize,w_385" data-pc-src="https://img.jishulink.com/upload/202305/c9791b01610242f4b3b9ae74dcd9a794.jpg?
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<p>個(gè)人長(zhǎng)期從事功能涂層/防護(hù)涂層設(shè)計(jì)及失效分析研究，在斷裂仿真方面累積十多年經(jīng)驗(yàn)，在熱障涂層和環(huán)境障涂層方向研究上取得了很多成果，大家可以參考上兩個(gè)帖子，對(duì)于材料斷裂仿真、失效機(jī)理分析、新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面具有獨(dú)特見(jiàn)解，在模型調(diào)試、分析技巧、收斂性輔助等方面有很多經(jīng)驗(yàn)可以教學(xué)分享，長(zhǎng)期收徒，長(zhǎng)期教學(xué)，如有想短期內(nèi)提高斷裂分析技術(shù)或長(zhǎng)期跟學(xué)探討學(xué)習(xí)的，可以加站內(nèi)私信我或者加V?，<span style
從傳熱的角度分析，須考慮高溫氣體從內(nèi)側(cè)的對(duì)流和輻射、冷卻空氣從外側(cè)的對(duì)流和輻射、內(nèi)側(cè)氣膜冷卻，以及內(nèi)襯固體材料，包括熱障涂層（Thermal Barrier Coatings）的熱傳導(dǎo)。
因此，相較于純V2O5的腐蝕過(guò)程，當(dāng)共存Na2SO4和V2O5，即NaVO3熔鹽時(shí)，腐蝕速率更快，YVO4樹(shù)枝晶尺寸更大，YSZ熱障涂層失效更快。
為了進(jìn)一步提高熱障涂層的性能，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)雙層結(jié)構(gòu)熱障涂層進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì)，并對(duì)其抗熱腐蝕性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。
航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域先后經(jīng)歷了第一代鋁化物涂層、第二代改性鋁化物涂層、第三代MCrAlY包覆涂層與第四代熱障涂層等。作為第四代防護(hù)涂層的代表，熱障涂層是目前防護(hù)性能最佳、應(yīng)用前景最好的表面防護(hù)涂層之一。熱障涂層是一層陶瓷涂層，它沉積在耐高溫金屬或超合金的表面，對(duì)于基底材料起到隔熱作用，降低基底溫度，使得用其制成的發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片能在高溫下運(yùn)行，并且可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率。
干式納秒激光（左圖）和水助納秒激光（右圖）加工孔的對(duì)比圖
為了提升渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的整體性能和可靠性，需要在帶熱障涂層（TBC）的單晶高溫合金渦輪葉片上制備大量的氣膜冷卻孔，激光加工是實(shí)現(xiàn)"先涂層后打孔"的優(yōu)勢(shì)加工手段。
樹(shù)脂填充熱障涂層和氧化鋯熱障涂層仿真結(jié)果如圖5和圖 6 所示。由圖 5 和圖 6 可見(jiàn)，樹(shù)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(jiàn)，樹(shù)脂填充熱障涂層的隔熱性能優(yōu)于氧化鋯熱障涂層。
<p>個(gè)人從事熱障涂層和環(huán)境障涂層涂層方向近十年，主要研究涂層的破壞機(jī)理和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在國(guó)際知名期刊上已發(fā)表SCI論文30余篇，主持國(guó)自然、博后基金等多項(xiàng)課題，對(duì)相關(guān)子程序開(kāi)發(fā)、模型建立、程序調(diào)試、論文書(shū)寫(xiě)、投稿/修稿/審稿等有一定經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)公開(kāi)收徒自愿學(xué)習(xí)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(xué)術(shù)難題，共同進(jìn)步！
以單晶合金為材料，結(jié)合高效的空芯冷卻設(shè)計(jì)和熱障涂層，可以滿(mǎn)足先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)高達(dá)1 800 ℃的渦輪前溫度要求。
圖 1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片凝固組織[2]
Fig. 1 Solidification structures of aero-engine turbine blades[2]
單晶渦輪葉片的鑄造工序復(fù)雜、成品率低、含有大量貴重元素，因此價(jià)值較高。
氧化鋯涂層材料
高性能Y2O3等穩(wěn)定劑穩(wěn)定的氧化鋯熱障陶瓷涂層材料，主要應(yīng)用于高性能渦輪航空發(fā)動(dòng)機(jī)。熱障涂層利用陶瓷的隔熱和抗腐蝕的特點(diǎn)來(lái)保護(hù)金屬材料，不僅可以提高油料的燃燒效率，而且可以極大地延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命，在航空、航天、海面船舶、大型火力發(fā)電和汽車(chē)動(dòng)力等方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值，是現(xiàn)代國(guó)防尖端技術(shù)領(lǐng)域中的重要技術(shù)之一。
6.
傳統(tǒng)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(lái)由于發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)要求不斷提高，發(fā)展一種新型熱障涂層制備技術(shù)十分迫切。近十年來(lái)，國(guó)內(nèi)外逐漸提出并發(fā)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(shù)，通過(guò)工藝調(diào)控可實(shí)現(xiàn)非視線沉積，并獲得層狀、柱狀及其混合結(jié)構(gòu)涂層，顯示出巨大的應(yīng)用前景。
