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高温防护涂层研究成果2

时间:2012-11-22 09:37:40  来源:材料腐蚀学科发展报告  作者:中国科学技术协会

(2)非金属涂层(热障涂层和搪瓷涂层)

        热障涂层是将具有低热传导系数的陶瓷材料以涂层的方式涂覆于热端部件的表面,起到隔热、耐腐蚀的作用。由于先进航空发动机涡轮叶片的工作温度远高于叶片合金的使用极限,必须对叶片采取冷却和热障涂层措施,因此热障涂层技术是先进航空发动机制造中的一项核心技术。传统的热障涂层是由以Y2O3部分稳定的ZrO2(YSZ)为陶瓷隔热层、以MCrAlY或NiPtAl为粘结层的双层结构组成。目前先进军机发动机叶片上采用了热障涂层技术,多种类型的民机发动机叶片上也采用了热障涂层。热障涂层在航天、石化、舰船、汽车、能源等领域的热端部件上也获得了广泛的成功应用。

        随着燃气涡轮发动机涡轮前进口温度的不断提高,传统的YSZ热障涂层已难以满足服役温度要求。YSZ在1523K以上将发生相变与烧结,使得热障涂层服役寿命大幅度降低。为使热障涂层能够在更高服役温度下工作,我国学者近年来相继开发了几种新型的陶瓷层材料,如在YSZ中掺杂稀土氧化物以提高热障涂层的隔热效果与抗烧结温度,研发出La2Zr2O7和La2Ce2O7陶瓷隔热材料,其服役温度可达到1673K以上,并且具有比YSZ低的热扩散系数。传统的热障涂层制备技术主要以等离子喷涂(PS)和电子束物理气相沉积(EB-PVD为主。为了进一步提高热障涂层的制备效率和服役性能,在物理气相沉积与喷涂技术发展的基础上,提出了兼具有PS和EB-PVD优点的等离子喷涂物理气相沉积(PS-PVD和溶液先驱体等离子喷涂(SPPS)等新的热障涂层制备方法。但由于涂层制备过程中的涂层微观结构控制技术有待于进一步开发,目前这些新材料和新方法尚未进入实用阶段。

        搪瓷涂层的研制和高温腐蚀研究也是我国一项有特色的研究。搪瓷涂层是以SiO2为主的氧化物与其他氧化物如Al2O3,ZnO,B2O3,CaO,Na2O等以一定比例混合烧结而成的。搪瓷涂层常与MCrAlY涂层(底层)复合使用,显示了良好的抗高温腐蚀性能。搪瓷涂层具有优良的抗氧化和腐蚀性能,但因其抗剥落性差制约了其广泛应用;掌握颗粒增强对搪瓷涂层的热学和力学性能的影响规律,是抗热震的搪瓷涂层设计的关键。最近的研究侧重在搪瓷涂层的颗粒增强和增韧方面,并取得明显成效,发现Al2O3颗粒增强提高了裂纹萌生应力,NiCrAlY颗粒增强提高了裂纹扩展功,颗粒增强还可降低涂层/基体的热膨胀系数差异,从而降低冷却时涂层的热应力等。

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