先进热障涂层的概述

随着航空业的发展，对热障涂层的要求越来越高。为了达到降低燃烧

室内金属基体的温度提高使用寿命,提高涡轮发动机的点火温度来

提高它的工作效率这样的目的。我们研究了许多种热障涂层材料，

其中使用最广泛的应该就是YSZ。但是YSZ也存在一些不足,由EB-PVD

和APS方法加工的YSZ含有亚稳态的T`相。长时间处于高温状态下，它能

够分解成高氧化钇相和低氧化钇相。后者在冷却过程中将会转变成为

单斜晶并伴随较大的体积增加，这将导致TBC的失效。公认的上限温

度是1200℃。另外，由于有限的相稳定性将导致涂层应变公差减小，从而降低了它的高温性能，因此涂层会过早的失效。

所以我们要寻找比YSZ更好的热障涂层材料

背景烧绿石在1300℃以上时，具有A2B2O7的烧绿石结构的TBC材料比YSZ的性能更好。特别是一些锆酸盐烧绿石具有很低的热导率使得这类材料更加令人关注。同时它们有着很不错的热稳定性，这可能与晶体中阳离子有着固定的位置有关。

在烧绿石中，La2Zr2O7(LZ)是TBC应用最具前景的材料之一。因为它相比YSZ具有更加出色的综合特性，在2000℃以上时它具有不错的热稳定性能，热导率很低，为1.56W/mK，烧结倾向也很小。但它也有缺点，它的热膨胀系数较低。YSZ的热膨胀系数为10–11×10−6K−1，LZ的热膨胀系数大概是9×10−6K−1，由于热膨胀系数不匹配将导致较高的热应力。锆酸镧和锆酸钆单独作为陶瓷顶层材料时TBC的寿命很低，因为基体和粘结层都具有相当高的热膨胀系数(大约15×10−6K−1)，在工作过程中TBC中靠近粘结层位置的应力堆积使得裂纹能很容易的扩展。

在双层系统中（图1）,有一层YSZ层和一层由烧绿石材料制成的顶层。这种涂层在热循环测试中的寿命显著提高。在这种双层结构中，YSZ使它具有接近粘结层的韧性，顶层的烧绿石材料使涂层拥有低烧结率和高温稳定性。这些基于

烧绿石/YSZ的双层系统表现出的比YSZ更优秀的高温性能从而有望应用来提高燃气轮机的热性能。

图1锆酸镧/YSZ双层结构热障涂层的光学显微结构

图2不同TBC系统燃烧室的热循环测试结果

在使用焙烧粉末（50%锆酸镧

50%YSZ）混合制成的锆酸镧/YSZ双层系统的化学稳定性研究中，在1250℃以下煅烧时没有反应，这意味着锆酸镧和YSZ有很好的化学适用性，可以用来制备双层系统的热障涂层。

在航空发动机高温作业时由于空气细碎屑的吸入形成CMAS，在TBC上沉积，在很高的表面温度下他们开始液化并且渗入到涂层中。在冷却过程中，它们开始凝固并减小涂层的应变公差。像锆酸钆等一些烧绿石能够与硅酸盐发生反应产生晶化，CMAS的渗透也会很早的停止。因此，相比YSZ，一些烧绿石能更好的对抗CMAS。

尽管很多烧绿石结构材料，使用热喷涂方法比较容易加工，但仍存在一些问题。其中之一就是在喷涂过程中成分的损失。喷涂锆酸镧时损失氧化镧，导致生成不稳定ZrO2的杂质相，会降低涂层的性能。六铝酸盐

磁铁铅矿结构的六铝酸镧常被用于激光技术、催化剂等领域。由于它的高熔点，高热膨胀系数，低热导率和高达1800℃结构稳定性等特点，这类材料也可用在热障涂层应用中。