航空工艺技术
AERONAUTICAL MANUFACTURING TECHNOLOGY
1999年　第3期　No.3 1999



陶瓷热障涂层存在问题及解决途径
Problems and Solutions of Ceramic Thermal Barrier Coating
赖师墨
　　［摘要］　指出陶瓷热障涂层的主要问题是如何提高涂层附着力，主要的解决办法是控制涂层结构和基体温度，以及提高涂层材料的抗环境性能等。
　　关键词： 燃气轮机　热障涂层　涂层附着力

　　[ABSTRACT］　In this paper the author points out that the main problem of ceramic thermal barrier coating is how to improve the adhesion of the coating. The solution is to control coating sturcture and matrix temperature, and to improve the ambient resistance performance of the coating materials
　　Keywords: Gas turbine engine　Thermal barrier coating　Coating adhesion

　　热障涂层(TBC)是一种氧化物陶瓷保护层，通过涂覆工艺沉积在热机受热零件表面，起隔热和耐腐蚀的作用，使高温燃气和工件基体金属之间产生很大的温降，以达到延长热机零件寿命、提高热机热效率的目的。这项技术至今已有40多年的发展历史，并已广泛用于各种燃气轮机，目前美国几乎所有的陆用和船用燃气轮机都采用了TBC，每年约有300t的氧化锆材料用在TBC上。TBC在航空航天上的应用也已经实用化，60年代后期开始用于JT8D发动机燃烧室，后来又用于JT9D发动机一级涡轮叶片，GE公司采用改进的等离子喷涂TBC，已使燃烧室的总寿命超过30000h。TBC的采用已经取得了良好效果，降低了制造成本和比油耗，减少了对冷却空气量的要求，还提高了叶片的工作持久性。据报道，在航空燃气涡轮发动机的一级涡轮叶片上涂覆一层厚度为0.25mm的陶瓷热障涂层，可使冷却空气量减少6%，比油耗改善1.3%，叶片寿命提高4倍。
　　陶瓷热障涂层温降量的大小是陶瓷涂层厚度、热通量、氧化物陶瓷热传导性的函数，通常，厚度为0.4mm的氧化锆陶瓷涂层可产生100～300℃的温降。
　　TBC通常由金属底层(粘结层)和陶瓷面层组成，金属底层的主要作用是将陶瓷面层牢固地粘结在基体金属上，陶瓷面层起隔热和抗腐蚀作用。典型的粘结层为MCrAlX合金(其中，M表示基体金属，如镍、钴或镍钴；X表示活性金属，一般为钇)；面层为经稳定化或半稳定化处理的氧化锆陶瓷(通常用氧化钇作稳定剂)，其涂层性能最好，使用温度可超过1366K。
　　制备TBC最成熟、实用的工艺是等离子喷涂，除生产效率高、成本较低外，涂层隔热效果好也是它很突出的优点，因此国外仍在不断改进与发展，特别是发动机静子部件上的热障涂层，等离子喷涂仍是最佳选择。近年来用电子束物理气相沉积(EB-PVD)可得到具有高抗热震性能的TBC，已引起人们的关注。此外，对用激光处理来提高TBC的使用寿命也进行了广泛的研究。

1　存在的主要问题
　　热障涂层在技术上无疑具有很大的潜力和良好的发展前景，但也存在一些有待解决的问题，主要有涂层附着力的控制、涂层失效机理的研究和涂层性能测定等，其中，涂层附着力的控制是最为重要的问题。
　　涂层的附着力，亦称涂层的粘结强度或结合强度，是直接影响涂层剥落的关键质量指标。涂层剥落是零件最主要的破坏形式，也是热障涂层在燃气涡轮发动机上扩大应用的主要限制因素。导致涂层剥落的主要原因，一是粘结层(底层)氧化；二是基体金属与陶瓷涂层的热膨胀系数差别很大，两者之间存在着明显的应变不匹配。应变不匹配的范围如图1所示，图中横坐标表示喷涂涂层时基体的预热温度，纵坐标表示连续热循环基体与陶瓷的应变量，图中4条曲线分别表示一个热循环(从室温到1010℃)基体与陶瓷的应变量随基体预热温度的变化。从图中可以看出，应变量不仅与材质及使用温度有关，而且喷涂时的基体温度对应变匹配有很大影响，适当预热基体材料可以提高涂层的结合强度，但当基体预热温度超过200℃时，涂层内会产生比较明显的压缩应变，而且预热温度越高，压缩应变值越大。显然，过大的压缩应变是不允许的，因此必须严格限制基体的预热温度，将它控制在有利的范围内。


图1　喷涂时基体温度对应变匹配的影响
Fig.1　Effect of matrix temperature 
on strain matching when spraying
　　当试件加热至1010℃时，基体与陶瓷的应变量很不匹配，基体的应变范围大于陶瓷的应变范围，此时涂层内有较大的拉伸应变，而且试件加热温度越高，拉伸应变值越大，因而涂层的使用温度要受到限制。
　　热障涂层内附着力最脆弱的部位是氧化物陶瓷层与金属底层(粘结层)的界面区，其强度一般只有涂层强度的1/4左右。提高涂层结合强度除优选最佳喷涂工艺参数和提高预处理技术外，要视工况(如使用温度在1000℃以上时)需要，采取下述的某些特殊措施。

2　解决途径
2.1　控制涂层结构
　　解决陶瓷涂层耐久性问题，应以改善涂层的应变容差为基础，改善应变容差可以通过控制涂层的结构来实现，在涂层内部形成理想的不连续结构，其办法有：
　　(1)提高涂层气孔率。
　　控制喷涂工艺参数可在一定范围内调整涂层气孔率，但主要途径还是选用适当的粉末粒度和结构。一般来说，粉末越粗，涂层气孔率越大，但要受到喷枪熔化能力的限制，因此粉末粒度选用-80～＋120目为宜；粉末结构可以采用团聚型和混合型的粉材，混入喷涂后能溶于水的无机盐类粉末(如NaCl)及高温下易汽化或碳化的聚酯粉末，通过调整混合比可以控制气孔率，也可采用空心球粉末，使涂层具有15%～20%的气孔率，这样可以获得较大的应变容差，并能有效地降低涂层的弹性模量。
　　(2)形成良性微裂纹。
　　在热障涂层内如存在不连续，且方向不规则的微裂纹，即所谓良性裂纹，能有效地成为应变卸载机构，因而能提高涂层的耐久性。形成良性裂纹的方法之一是改变构成涂层的化学成分，可通过含有过量氧化镁或部分稳定的立方结构ZrO2来获得这样的微裂纹。
　　(3)涂层分裂成柱状结构。
　　用某种特殊方法，可使涂层产生很多垂直于涂层/基体界面的微细裂纹，亦即层状结构的涂层分裂为具有柱状物的柱状结构。这种结构能协调陶瓷涂层与金属基体间的应变不匹配，提高涂层的耐久性。
　　喷涂工艺中可用减小喷涂距离或采用细颗粒(-325目)粉末的办法使涂层致密度增高，并用加快冷却速度的方法以获得垂直于涂层表面的分段裂纹，但这种方法也可能发生平行于涂层表面的裂纹，产生相反的效果，因此要特别小心，才能获得理想的分段特性。也可以采用激光重熔的方法，但更有效的途径是电子束物理气相沉积(EB-PVD)，它可以获得完全的柱状结构涂层组织。
　　(4)多层结构。
　　在基体金属上喷涂隔热陶瓷时，由于两者之间的热膨胀系数相差较大，易产生较大的残余应力。为保证从基体到涂层材料的平滑过渡，可在基体金属与陶瓷涂层之间喷涂1～3层中间层，以提高陶瓷涂层的结合强度。一般，紧靠基体金属的中间层称为金属粘结底层，应与基体金属良好结合，其热膨胀系数应介于陶瓷和金属基体之间；也可以在粘结底层上再喷涂1～2层金属与陶瓷复合的过渡层，然后喷涂陶瓷涂层，以期获得更好的效果。
2.2　控制基体预热温度
　　制备涂层时，适当控制基体的预热温度，可使陶瓷涂层在周期运行的情况下产生的压应力与张应力之间有更好的平衡。有学者认为，氧化物陶瓷涂层与底层界面间的粘结强度低，是由于喷涂时的沉积过程造成的，其原因是喷涂第一层氧化物涂层时，如果喷涂在冷的高热传导性的表面上，会出现较大的热震，而以后连续喷涂时，涂层沉积在热的低热传导性的氧化物上，出现的热震已很小。因此认为，氧化物喷涂在预热的表面上，可增加热障涂层的粘结强度，但预热温度不能过高，因为过高的预热温度会增大金属基体的冷却收缩，当喷涂零件冷却到室温时，陶瓷处于高压应力状态，使涂层寿命下降。试验表明，基体温度控制在200～300℃范围内，可减少由于迅速冷却而产生的压应力，并能提高涂层的韧性。基体温度过高，除应力不平衡外，还可能产生基体氧化，使附着力反而下降。
2.3　提高涂层材料的抗环境性能
　　陶瓷热障涂层是多孔的，并含有大量的微细裂纹，这些孔隙和微细裂纹能提高涂层的隔热性能和应变容差能力，当受到机械应力时，还能起到阻止裂纹扩展的作用。但多孔性不利于底层材料的抗环境性能，燃油、燃烧气体及腐蚀性熔盐能通过孔隙和纵向裂纹渗入涂层及底层，使氧化物陶瓷涂层和粘结底层遭到损害，因此必须研究在TBC和粘结金属底层中使用新合金元素，增加其抗环境能力。为了提高金属粘结底层的性能，喷涂底层时应采用真空等离子喷涂工艺，以获得更加致密的底层。此外，对真空等离子喷涂的MCrAlY底层，还可进行附加耐氧化处理或渗铝处理，以进一步提高底层的抗氧化、抗腐蚀能力，提高涂层寿命。
2.4　涂层的后处理
　　涂层的后处理包括扩散热处理、重熔处理和热等静压处理(HIP)等方法，这些方法可以提高涂层的致密度和结合强度。在热障涂层中，后处理主要用来封闭陶瓷表面气孔，以改善抗蚀性而不损害抗热疲劳能力。
作者单位：北京航空工艺研究所　研究员
(责编　文　洵)　
