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高温防护涂层研究进展 3

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2.2 包覆涂层
包覆涂层是指利用物理或化学手段使涂层材料在合金表面直接沉积而形成的涂层。包覆涂层与扩散涂层的明显不同是涂层沉积时只与基材发生能够提高涂层结合力的相互作用,基材不参与涂层的形成,因此涂层成分的选择更具有多样性。包覆涂层可以是金属涂层和陶瓷涂层等,其中最典型的是MCrAlY包覆涂层。

MCrAlY 包覆涂层于20 世纪70 年代发展起来,现已发展成一系列的涂层体系,其中M为Fe, Co, Ni或它们的组合,Al 用来形成保护性的Al2O3膜,Cr 用来促进氧化膜的形成,并提高抗热腐蚀能力,Y用来提高氧化膜的附着力,涂层中还可通过添加Hf ,Si ,Ta ,Re, Zr, Nb等元素中的一种或多种以满足一些特定的应用需求。这类涂层主要由β相(NiAl 或CoAl)和Ni 或Co的γ固溶体组成。镍基Ni-Cr-Al-Y涂层具有优良的抗氧化性能,钴基Co-Cr-Al-Y涂层更抗热腐蚀,Ni-Co-Cr-Al-Y涂层二者兼顾。文献比较了渗铝涂层、改进型铝化物涂层和MCrAlY 包覆涂层抗氧化、抗热腐蚀性能。通过调整MCrAlY 涂层成分可以制备抗氧化型涂层和抗热腐蚀型涂层,从而满足不同工作环境和不同基体合金的需要。MCrAlY 涂层的常用制备方法有物理气相沉积,包括电子束物理气相沉积(EB-PVD)、溅射、离子镀,以及喷涂技术,包括低压等离子喷涂、氩气罩等离子喷涂、超音速火焰喷涂等。

2.3 热障涂层
热障涂层(TBCs)的主要功能是隔热,由导热系数较低的陶瓷面层和金属粘结层组成。早期的热障涂层是Al2O3和ZrO2 (MgO或CaO稳定的)陶瓷隔热层直接喷涂于合金表面,在70 年代中期使用NiCrAlY为粘结层和等离子喷涂技术制备了Y2O3稳定的ZrO2 表层以及在20 世纪80 年代早期发展的EB-PVD技术沉积陶瓷表层是热障涂层发展史上的重要进展。现在的热障涂层的粘结层多为MCrAlY和Pt 改性铝化物涂层,金属粘结层主要作用在于增加陶瓷涂层与基体的结合力,改善二者之间热膨胀系数的不匹配,同时也提高基体的抗氧化性。8%Y2O3部分稳定的ZrO2 (Y-PSZ)具有高熔点,高温稳定性、低热导率及与基体材料最为接近的热膨胀率而成为陶瓷隔热层的首选材料。在高温下,粘结层中的Al 与从陶瓷层中扩散进来的氧气反应,在粘结层/陶瓷层界面之间形成一层热生长氧化层TGO(thermally grown oxides),其主要成分为α-Al2O3,有效地阻止了基材的氧化。

陶瓷隔热层的制备方法有多种,包括热喷涂、物理气相沉积、化学气相沉积、溶胶-凝胶法等,常用的技术为等离子喷涂和EB-PVD。等离子喷涂制备的Y-PSZ 为片层状结构,常含有15%~25%的孔隙率,因此热导率低,并具有一定的应变容限,通常应用在航空发动机中要求较低的部件上,例如燃烧室、燃烧蒸发器、定子叶片等。EB-PVD 制备的Y-PSZ 层为柱状晶结构,在温度变化的过程中具有高的应变容限,因此比等离子喷涂涂层寿命更长,但设备昂贵,成本高,用于发动机中条件要求比较苛刻的部件中,如航空燃气涡轮叶片。TBCs 的隔热效果可达175 ℃。

目前,TBCs应用面临的主要挑战是涂层的耐久性,尤其是涂层抗剥落的能力,其影响因素众多,例如ZrO2层中的应力状态、粘结层的显微组织、TGO层的厚度和应力状态以及粘结层和TGO之间各种界面的断裂抗力等。目前得到公认的是粘结层的氧化是决定EB-PVD TBCs寿命的关键因素。

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