01
高温防护涂层能为高温下使用的金属材料提供有效的抗氧化腐蚀防护，已广泛应用于航空航天、能源、石油化工等领域。其中具有代表性的应用是在飞机、舰船和地面发电用的各种燃气涡轮发动机上，其高温防护涂层的发展主要经历了3 个阶段：第一代热扩散涂层，第二代M（M=Fe，Ni 或Co）CrAlY 包覆涂层；第三代热障涂层。

为了进一步提高涡轮发动机的工作效率，并达到节能减排的目的，就要提高发动机的进口温度，因此，科学工作者们不断致力于研发更先进的材料、涂层体系及制备技术，例如研制出的第四代镍基单晶高温合金的承温能力已达1180 ℃。相应地，对高温防护涂层也提出了更高的要求，涌现出多种具有独特设计理念的新型高温防护涂层。本文阐述了常用高温防护涂层的结构、制备方法及应用特点，介绍了几种特色高温防护涂层，综述了国内外关于高温涂层研究的最新进展。对高温防护涂层的发展趋势进行了展望。

02 常用高温防护涂层

2.1 扩散涂层
使一些抗氧化性元素，如Al，Cr，Si 等，与金属基体接触，并进入基体表面形成的涂层为扩散涂层。在扩散涂层的形成过程中，基体参与涂层的形成，基体中的元素进入到涂层中，涂层下面的基体中形成扩散层。扩散涂层有渗铝涂层、渗铬涂层、渗硅涂层，以及改进的渗铝涂层等，代表性的有渗铝涂层和改进的渗铝涂层。

2.1.1 渗铝涂层
渗铝涂层（aluminide coatings）最早在1911 年由Van Aller 在美国专利中阐述，采用粉末包埋法（pack cementation）制备，后来又出现了热浸渗铝（hot-dip coating）、料浆渗铝（slurrycoating）、以及非接触式“基材在渗剂之上”的渗铝（above- the- pack aluminizing）和化学气相沉积（CVD）渗铝等制备方法。20 世纪50 年代粉末包埋渗铝涂层开始用于钴基导向叶片，到了70 年代，大多数的镍基和钴基涡轮及导向叶片都采用了粉末包埋渗铝涂层和非接触式渗铝涂层。

在粉末包埋渗铝方法中，样品埋入渗剂粉末中，渗剂由铝源粉末、卤化物活化剂和填料组成，铝源粉末可以是金属Al 或适合的合金粉，填料通常为惰性的Al2O3。渗剂一般含有2%~5%的活化剂，例如氯化铵，25%的铝源，剩下的为填料。加热时活化剂在渗剂中挥发，与铝源反应生成挥发性的涂层金属的化合物。挥发性的物质向基材表面扩散，并在那里发生沉积反应。渗铝时须通入氩气等保护性气体，以免铝源和金属基材被氧化。

渗铝涂层的结构和沉积速度取决于渗剂中Al的活度、渗铝温度、基材成分及后处理工艺等因素。以镍基高温合金上渗铝涂层为例，在相对较低的温度范围，如700~800 ℃时，此时Al 的活度比Ni 高，渗铝过程中涂层的生长主要靠Al 通过初始形成的Ni2Al3表层向内扩散，形成内扩散型涂层，又称高活度渗铝（HALT），这种涂层需经过二次退火处理形成NiAl 相。在相对较高的温度范围，如980~1090 ℃时，此时Al 的活度相对于Ni 的活度较低，涂层的生长主要是靠Ni 向外扩散与表面沉积的Al 结合形成NiAl 相，形成外扩散型涂层，又称低活度渗铝（LAHT）。

粉末包埋渗铝与其他制备扩散型涂层的方法相比有几种优势，一是渗剂有支撑被渗材料的作用，能防止大的器件下弯，商业上使用的渗铝工艺可为数米长的管道制备富铝涂层；二是渗剂与基材相接触，使得渗层成分较均匀，沉积速率较快，但也存在不足，渗剂中的材料会裹入涂层中。而非接触式渗铝工艺“基材在渗剂之上”的渗铝和化学气相沉积渗铝则可避免这种情况，前者是把工件固定在渗剂的上面，涂层反应气从渗剂中产生并向上流动到基材表面，后者在沉积过程中涂层反应气从外部产生，然后充入装有被渗材料的真空容器中，因此反应气成分可调性大，反应气可输送到内腔中，例如燃气轮机叶片的内冷却孔中。

简单渗铝涂层具有良好的抗氧化性，且工艺简单，性能稳定，成本低廉。但也存在不少缺点，例如，耐热腐蚀尤其是II 型热腐蚀性能差，涂层脆性大、退化速度快等，在20 世纪70 年代，改进型铝化物涂层发展起来。