热持久对 YSZ热障涂层隔热性能的影响规律
詹华，汪瑞军，程家龙，吕玉芬
热 喷 涂 技 术2011年9月
摘 要：目前热障涂层（TBCs）作为最先进的高温防护涂层之一，已在发动机涡轮叶片上获得了广泛的应用。本文采用涂层热性能高温环境实验系统对发动机环境叶片涂层热持久实验后 YSZ热障涂层的隔热能力开展了研究，获得了实验室环境下 YSZ热障涂层长时间工作后隔热性能的变化规律，并从微观组织结构变化规律方面开展了分析。
关键词：热持久；YSZ热障涂层；隔热性能
近年来，热障涂层（TBCs）以其优异的隔热性能和抗腐蚀效果在航空发动机及燃气轮机的高低压涡轮叶片上得到推广应用。采用 7％～8％氧化钇稳定氧化锆(YSZ)材料制备的 TBCs 因其具有良好的化学稳定性、低的热传导系数、较佳的韧性等特点，被认为是目前综合性能最佳的热障涂层[1]。国内外对 YSZ 热障涂层的性能和失效机理已开展了大量研究，对其隔热性能的研究是一个热点[2-8]，其中以针对制备态 TBCs 涂层隔热性能的测试研究居多[9-11]。
随着 YSZ 热障涂层在国内研究应用的日益深入，作者通过模拟工况研究发现，TBCs 在高温工况中使用一段时间后，其隔热性能会发生一系列变化。本文采用热持久实验方法研究了高温工况下TBCs 涂层组织和结构的变化对 YSZ 热障涂层隔热性能的影响规律。
1 试验
1.1 试样制备与方法
以 1Cr18Ni9Ti 为基材，试样规格为 30 mm×30 mm×1mm，采用超音速火焰喷涂 NiCrAlY 材料制备粘结底层，厚度控制在 100μm；采用等离子喷涂 YSZ（8％氧化钇稳定氧化锆） 材料制备陶瓷面层，厚度分别为 200μm、400μm、600μm。涂层制备工艺参数见表 1、表 2（喷涂过程中基体温度控制在100℃以内）。
1.2 性能检测
采用涂层热性能高温环境模拟试验系统测试喷涂试样的隔热能力（图 1 是系统工作示意图）。测试方法为：将涂层试样装夹在试验台上，采用氧丙烷火焰加热涂层表面，使用红外测温仪控制加热火焰 使 涂 层 面 温 度 分 别 控 制 在 900℃ 、1000℃ 、1100℃和 1200℃四种模式，并分别在四种模式下保温 1min（试样背面未加冷却气），使用 K 型热电偶记录不同温度模式下试样的背面温度，根据测量结果计算出 YSZ 热障涂层试样的隔热温度。热持久实验采用 Sx2－10－13 型高温箱式电阻炉。实验方法为：将不同厚度的 YSZ 热障涂层试样分别放在 1000℃和 1200℃炉内，保温 0h、10h、30h 、50h 和 100h 后取出空冷。测量不同保温时间后试样的隔热能力，并记录其变化规律。
2 结果与讨论
2.1 涂层厚度与隔热性能的关系
图 2 是制备态涂层在不同加热温度时隔热能力与厚度的关系。可见在热障涂层表面加热不同温度时，涂层隔热能力随着厚度的增加而增强；另外随着涂层厚度由 200μm 增加到 600μm 时，加热温度为1200℃的涂层的隔热能力由 160℃提高到 300℃，可见涂层厚度是提高 TBCs 隔热性能的关键因素。由图3 可见随着加热温度不同，相同厚度涂层的隔热能力也不同。图中 200μm 厚的涂层，随着加热温度由900℃增加到 1200℃时其隔热能力提高了约 45.5%；600μm 厚的涂层，随着加热温度由 900℃增加到1200℃隔热能力提高了约 50%。可见 YSZ 热障涂层的隔热能力随承温温度的提高而上升。
2.2 热持久时间与隔热性能的关系
通过对厚度为 200μm、400μm、600μm 以及加热温度为 900℃、1000℃、1100℃、1200℃不同保温时间后热障涂层的隔热能力测定，发现在同一厚度下，不同加热温度的热障涂层和同一加热温度不同厚度的热障涂层的隔热能力均随热持久时间的延长而降低。图 4 是在加热温度 900℃不同厚度热障涂层从制备态到热持久 50h 后隔热能力的变化规律。可见厚度 200μm 涂层的隔热能力比制备态涂层的降低了 37.5％；厚度 400μm 涂层的隔热能力比制备态涂层的降低了 29.3％；厚度 600μm 涂层的隔热能力比制备态涂层的降低了 26.7％。对比热持久后不同加热温度下涂层的隔热能力如图 5所示，加热 900℃涂层的隔热能力比制备态涂层的降低了 35％；加热 1000℃涂层的隔热能力比制备态涂层的降低了 26.7％；加热 1100℃涂层的隔热能力比制备态涂层的降低了 27.8％；加热 1200℃涂层的隔热能力比制备态涂层的降低了 30％。可见热持久后不同加热温度下 YSZ 热障涂层的隔热能力均降低。
2.3 影响 TBCs 涂层隔热效果的因素
2.3.1 热障涂层微观结构的变化规律
图 6 是 1200℃下制备态与其经过 50h 热持久实验后热障涂层微观组织的截面形貌。可见，陶瓷层经过长时间热持久，其实验后的微观组织结构变得明显更致密，涂层截面的孔洞不仅变少、更变小。
表 3 是采用图像法测出的热障涂层孔隙率列表，可以看出涂层经热持久实验后，可见 1200℃100h 热持久实验后的孔隙率对比表，其陶瓷层孔隙率明显降低，100h 后的涂层孔隙率比制备态涂层的降低 50%，这一结果使涂层传热过程中的声子散射变差，导致热障涂层隔热性能大大下降。
2.3.2 热障涂层热导率的变化规律
在高温条件下，热传导不仅通过晶格振动（声子）传导，同时也通过辐射（光子）传导。在足够高的温度下可以观察到热导率的增加，热导率升高主要由辐射热传导引起。一般对于多晶材料，当温度低于500℃时可以忽略辐射热传导。而微观组织结构对热导率的影响主要与孔隙率、晶粒尺寸和杂质相关。
热导率与涂层的热扩散系数、比热容和密度三者紧密相关，可以通过下式进行计算：
λ=Dth(T)×Cp(T)×ρ(T) （1）
式中，λ、Dth (T ) 、Cp (T ) 和 ρ(T) 分别表示热导率、热扩散系数、比热容和样品密度。将热持久试验后测得的涂层数据带入上述公式，可计算出不同热持久时间后 8%YSZ 热障涂层的热导率，由表 4 可知，制备态涂层的热传导率约为 1 W/mk，而经 10h 和 100h 热持久后的涂层热导率提高了，100h 后热传导率提高了 35%左右。
3 结论
（1）随厚度和涂层面加热温度的增加，涂层的隔热能力增强。厚度从 200μm 增加到 600μm 涂层的隔热能力提高超过 85℃。涂层面加热温度从900℃升高到 1200℃涂层的隔热能力增加均超过45%。
（2）随热持久时间的增加，TBCs 的热传导率提高，隔热能力减弱。涂层热持久 50h 后隔热温度比制备态的降低了 26％以上；热持久 100h 后热传导率提高了 35%左右。
（3）热障涂层微观组织结构的变化是影响其隔热能力的主要因素。经过热持久后涂层中孔洞变少、变小，孔隙率减小，从而使涂层传热过程中的声子散射变差，热导率提高，导致热障涂层隔热性能大大下降。
（4）关于热障涂层微观结构与传热过程之间的相互关系的研究还在进行之中。
参考文献略
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