热障涂层材料应用原则

2023-06-18 理论教育版权反馈

【摘要】：热障涂层一般用于1000℃以上高温环境中，降低热量向基体材料的传入，提高基材的使用温度。热障涂层材料目前只有Y2O3或MgO稳定的ZrO2。经过进一步的研究，Y2O3稳定的ZrO2涂层材料成为现今广泛研究和普遍采用的重要TBCs材料。Y2O3的含量对ZrO2热导率影响不大，但对于陶瓷层的线胀系数影响非常大。陶瓷层则为7%Y2O3部分稳定的ZrO2，这种热障涂层系统具有良好的抗氧化隔热作用，结构简单，耐热性好，如图3-1所示。

热障涂层一般用于1000℃以上高温环境中，降低热量向基体材料的传入，提高基材的使用温度。热障涂层材料目前只有Y₂O₃或MgO稳定的ZrO₂。热喷涂制备方法一般采用常压等离子喷涂。涂层中存在一定的孔隙度，以降低涂层的热导率，减少涂层中应力。热障涂层主要用于发动机燃烧室、热端部件、排气通道、汽缸活塞柱头、喷嘴、冶金炉等。

热障涂层材料的选择。由于纯ZrO₂的相转变会带来体积变化，所以需要对ZrO₂高温相进行稳定化。最早用于制备TBCs的陶瓷材料为22%MgO完全稳定的ZrO₂。在1400℃下涂层平衡组织为t相或m相。在热循环过程中，MgO会从固溶体中析出，使涂层的热导率提高，降低了涂层的性能。经过进一步的研究，Y₂O₃稳定的ZrO₂涂层材料成为现今广泛研究和普遍采用的重要TBCs材料。它具有低热导率、高线胀系数、1200℃下相稳定、耐腐蚀等综合性能。

Y₂O₃的含量对ZrO₂热导率影响不大，但对于陶瓷层的线胀系数影响非常大。当w（Y₂O₃）＜6%时，在热循环过程中会发生伴有体积变化的t-m转变，导致涂层剥落，当w（Y₂O₃）在7%～8%时涂层组织有良好的稳定性。

为了寻找适合更高温度的热障涂层材料，国内外的学者们在Y₂O₃部分稳定ZrO₂的基础上，对ZrO₂（Y₂O₃）+HfO₂、ZrO₂（Y₂O₃）+CeO₂、ZrO₂（Y₂O₃）+Si等材料的性能进行了研究，也取得了很大的进展。例如，加入CeO₂的ZrO₂-CeO₂-Y₂O₃组织由于几乎没有伴有体积变化的t-m转变，而具有比ZrO₂-Y₂O₃更好的热循环性能、在合金黏结层处产生的热应力小、加入CeO₂后的线胀系数比ZrO₂-Y₂O₃的膨胀系数明显增大等三方面原因而使涂层的热振性能明显提高。

由于陶瓷材料的脆性大、与基体材料线胀系数不匹配等原因，通常在陶瓷基体间加入一黏结层以改善陶瓷与合金基体间的物理相容性，即一般的双层结构系统。其外层为厚度约0.25mm的陶瓷层，下层为厚度约0.1mm的金属结合层。金属结合层起到耐氧化腐蚀和使陶瓷层与基体紧密结合的作用。目前，结合层材料普遍采用MCrAlY合金，可显著提高涂层的抗氧化能力。陶瓷层则为7%Y₂O₃部分稳定的ZrO₂（YPSZ），这种热障涂层系统具有良好的抗氧化隔热作用，结构简单，耐热性好，如图3-1所示。

热障涂层材料应用原则

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