金属黏结层：回顾与展望
陈卫杰1*
, 宋 鹏1
, 高 栋2
, 汪 超
3
（1．昆明理工大学 材料科学与工程学院, 昆明 650093；2．中国航发商用航空发动机有限责任公司 研发中心材料工艺部, 上海 200241；3．上海电气燃气轮机有限公司 燃气轮机研究所, 上海 200240）
摘要：超音速火焰喷涂制作的金属黏结层加料浆喷涂制作的柱状晶结构陶瓷隔热层被视作新一代航空发动机和燃气轮机用热喷涂热障涂层，其中采用的M CrAlY 金属黏结层正朝着长寿命、低成本、适用于新燃料的方向发展。本文综述近年来航空发动机和燃气轮机热端部件热障涂层用M CrAlY 金属黏结层研究进展，并对涂层的结构设计与成分设计进行探讨。
关键词：燃气轮机；热障涂层；金属黏结层；长寿命；低成本；成分设计doi ：10.11868/j.issn.1005-5053.2021.000217
中图分类号：TB3 文献标识码：A 文章编号：1005-5053(2022)01-0015-10
热障涂层广泛用于航空发动机和工业燃气轮机的热端部件，保证热端部件能够在高温环境中持续工作，提高工作效率。热障涂层通常被分为两大类：热喷涂热障涂层和电子束物理气相沉积热障涂层。传统的热喷涂热障涂层为层状结构，具有相对较低的热导率，但是抵抗热循环的能力较低，通常用于不需频繁经历热循环的部件，如燃烧室的内衬和导向叶片；电子束物理气相沉积热障涂层为柱状结构，热导率相对较高，抵抗热循环的能力也较高，用于苛刻热循环环境工作的高压涡轮叶片和导向叶片。热喷涂热障涂层因其较低的设备成本、较高的生产效率以及较低的生产成本被众多科研院所、涂层生产商、航空发动机和工业燃气轮机行业重视并大力推广。本文简要回顾近年热喷涂热障涂层的发展趋势，着重讨论热喷涂热障涂层使用的金属黏结层技术，包括涂层工艺和成分设计，并对金属黏结层的发展方向进行探讨。
1 航空发动机和工业燃气轮机用热喷涂热障涂层的发展
热喷涂M CrAlY (M = Ni/Co) + YSZ (ZrO 2 + 8%
Y 2O 3) 热障涂层（TBCs ）通常被用于航空发动机和工业燃气轮机的热端部件（如燃烧室和导向叶片）（表1），以提高部件的工作温度，延长部件的服役寿命。其中，M CrAlY 金属黏结层既为YSZ 陶瓷隔热层与高温合金基体之间提供黏结力，也为高温合金基体提供抗氧化和热腐蚀保护
[1-5]
。目前国际常
用的M CrAlY 主要有3类：CoNiCrAlY 、NiCrAlY 和NiCoCrAlY [6]
（表2），通常由大气等离子喷涂（APS ）、真空等离子/低气压等离子喷涂（VPS/LPPS ）和超音速火焰喷涂（HVOF ）方法制备（表1）。其中，APS-M CrAlY 和HVOF-M CrAlY 的制备成本远远低于VPS/LPPS-M CrAlY ，因而更受到航空发动机和工业燃气轮机制造商的重视，VPS/LPPS-M CrAlY 通常被用于比较高端的热端部件产品。YSZ 陶瓷隔热层为基体提供隔热保护，通常由APS 制备。
由于航空发动机和工业燃气轮机的运转具有升温-等温-降温的热循环周期性特征（表3）[7]
，热障涂层的热循环（FCT ）寿命是首先考虑的性能指标。尽管采用典型商用粉末制备的低成本APS-/HVOF-M CrAlY + APS-YSZ 热障涂层已经具有比较好的热循环寿命，但进一步提高低成本M CrAlY 热循环寿命的研究工作仍在继续。另外，垂直裂纹陶瓷隔热层（DVC-YSZ ）[8]
和料浆喷涂陶瓷隔热层
（SPS-YSZ ）
[9]
与电子束物理气相沉积陶瓷隔热层
（EB-PVD-YSZ ）具有相似的柱状结构（图1）
[10]
，抵
收稿日期：2021-11-20；修订日期：2021-12-20
通讯作者：陈卫杰（1963—），男，博士，教授，研究方向为结构材料及防护涂层，联系地址：昆明理工大学材料科学与工程学院（650093），E-mail: ********************。
2022 年第 42 卷航 空 材 料 学 报
2022，Vol. 42第 1 期
第 15 – 24 页
JOURNAL OF AERONAUTICAL MATERIALS
No.1 pp.15 – 24
抗热循环的能力显然优于层状结构的APS-YSZ，因而成为新一代热喷涂陶瓷隔热层的发展方向。目前，欧美的一些研究机构和涂层制造商均在研制开发这种新型陶瓷涂层，美国机械工程协会（ASM International）的热喷涂协会（TSS）定期举办这一领域的研讨会，由欧美国家的科研机构交流最新发展动态。近年得到大力发展的HVOF-M CrAlY金属黏结层的成分和结构类似于高温性能出的
表 1 航空发动机和工业燃气轮机热端部件常用热障涂层
Table 1 Thermal barrier coatings commonly used for hot end components of aero-engines and industrial gas turbines
Application Combustion chamber Nozzle guide vane Turbine blade
Bond coat Topcoat Bond coat Topcoat Bond coat Topcoat
Aero-engine APS-M CrAlY APS-YSZ APS-M CrAlY
LPPS-M CrAlY
Aluminide
Pt-NiAl APS-YSZ
EB-PVD-YSZ
LPPS-M CrAlY
EB-PVD-M CrAlY
Aluminide
Pt-NiAl
APS-YSZ
EB-PVD-YSZ
Industrial gas turbine VPS-M CrAlY
HVOF-M CrAlY
APS-YSZ
DVC-YSZ
APS-low-k-TBC
EB-PVD/APS-Adv. TBC
VPS-M CrAlY
HVOF-M CrAlY
APS-YSZ
APS-low-k-TBC
EB-PVD/
APS-Adv. TBC
VPS-M CrAlY
HVOF-M CrAlY
APS-YSZ
APS-low-k-TBC
EB-PVD/
APS-Adv. TBC
表 2 国际常用的商用M CrAlY产品[6]
Table 2 Typical commercial M CrAlY products used by aero-engine and industrial gas turbine OEMs [6]
M CrAlY
Co Ni Cr Al Ta Y Hf Si OEM specification Type Typical product
CoNiCrAlY Amdry 995
Diamalloy 4700 Bal322180.5CPW 528
GE B50TF195 Class A
GE B50AG5 Class B
MSRR 9507/47
NiCrAlY Amdry 962Bal22101GE B50A892/B50AG6
GE B50TF162 Class A NiCoCrAlY Amdry 365 23Bal17120.5PWA 1365-2/1376
CPW 387
Amdry 386 22Bal17120.50.50.4PWA 1384
PWA 1386
Chromally C-77
表 3 航空发动机和工业燃气轮机的工作周期[7]
Table 3 Duty cycles to simulate service behavior of aero-engine and industrial gas turbines [7]
Application Cycle Heating rate /
(°C•s−1)
Time at
temperature/h
Cooling rate /
(°C•s−1)
Aero-engine Short range-military
Short haul-civil
Medium haul-civil
Long haul-civil 50
50
50
50
0.3-1.0
0.6-2.0
2.0-6.0
6.0-18
50
50
50
50
Industrial power plant Peak lopping
Base load 50
50
1.0-3.0
100-200
50
50
Automotive Catalytic converters
Turbochargers
Exhaust manifolds 5
5 / 50
5
0.1-4.0
0.1-4.0
0.1-4.0
5
5 / 50
5
Coal fired plant“Two shifting” duty cycle
Continuous-base load 0.05
0.05
12
2000, 8000
0.05
0.05
High temperature process equipment Short duration heat treatment
“In-line” plant
Heating elements 5
5 / 0.05
5
0.3-6.0
120-140
0.1-0.3
5
5 / 0.05
5
16航 空 材 料 学 报第 42 卷
VPS/LPPS-M CrAlY ，它的表面粗糙度低于APS-M CrAlY 和VPS/LPPS-M CrAlY ，更适合用作DVC-YSZ 和SPS-YSZ 新型陶瓷隔热层的金属黏结层。因此，HVOF-M CrAlY + DVC-YSZ/SPS-YSZ 被视作新一代航空发动机和工业燃气轮机用热喷涂热障涂层，有可能同目前国内使用的多弧离子镀AIP-PVD-M CrAlY + EB-PVD-YSZ [11-12]
进行竞争。根
据热障涂层的发展趋势，对金属黏结层也提出了更
高的要求（表4）
[13-14]
。
2 M CrAlY 金属黏结层的发展
在高温环境中，M CrAlY 与YSZ 的界面将形成一层热致生长氧化层（TGO ），减缓M CrAlY 的继续氧化，但是，APS/VPS/LPPS-M CrAlY + APS-YSZ 热障涂层中，裂纹大多形成于YSZ/TGO 的界面或是界面附近的YSZ 层中（图2）[15-16]
，一般认为TGO
的生长造成YSZ/TGO 界面附近的裂纹扩展，是导
致涂层失效的主要原因之一
[17-23]
。为了减缓YSZ/
TGO 界面附近的裂纹扩展，通常提高M CrAlY 中Al 的含量和/或添加耐火元素，比如Ta 或Re ，在M CrAlY 表面形成生长速度缓慢的连续且致密的Al 2O 3-TGO ，改善热障涂层的使用寿命。而在HVOF-M CrAlY + APS-YSZ 热障涂层中，在YSZ/TGO 的
界面附近产生裂纹的同时，TGO/M CrAlY 界面也会发生裂纹形成与扩展
[24]
，这一现象在M CrAlY 中
Al 含量较高和界面较平直的时候尤为严重，导致涂层过早失效，因此，M CrAlY 黏结层的抗氧化能力并非决定热喷涂热障涂层寿命的唯一因素，氧化层的抗脱落能力对热障涂层的寿命也具有非常重要的影响。
在HVOF-低Al-M CrAlY + APS-YSZ TBC 中，涂层失效主要是由于M CrAlY 脱Al 在TGO 层中形成混合氧化物，促进了YSZ/TGO 界面区域以及TGO 中的裂纹扩展；但是，在HVOF-高Al-M CrAlY +APS-YSZ TBC 中，裂纹很可能沿着较平滑的Al 2O 3-TGO/M CrAlY 界面形成并扩展，并同YSZ/TGO 附近的裂纹相连，引起涂层过早失效（图2）
[24]
。由于
TGO 与M CrAlY 之间的热膨胀系数（CTE ）差，从高温冷却时因热膨胀不匹配在TGO/M CrAlY 界面产生应变形成一个拉应力，造成裂纹的扩展[5]
，尤其是在粗糙度较低的HVOF-M CrAlY 与Al 2O 3-TGO 的界面。因Al 2O 3和M CrAlY 之间CTE 差造成的应变约为0.5%～1.1%（表5）
[5,25-28]
。此外，商用
M CrAlY 涂层基本都是γ-Ni + β-NiAl 结构，冷却时M CrAlY 中的β-NiAl 会发生B2 → L10马氏体转变
[29]
，造成大约0.7%的应变。
增加M CrAlY 层的表面粗糙度可以改善表面
APS-YSZ
DVC-YSZ
SPS-YSZ
EB-PVD-YSZ
(a)
(b)
(c)
(d)
100 μm
100 μm
100 μm
100 μm
图 1 陶瓷隔热层
[10]
（a ）层状结构的APS-YSZ ；（b ）柱状结构的EB-PVD-YSZ ；（c ）柱状结构的DVC-YSZ ；（d ）柱状结构的
SPS-YSZ
Fig. 1 YSZ layers [10]
（a ） layer-structured APS-YSZ; （b ） columnar-structured EB-PVD-YSZ; （c ） columnar-structured
DVC-YSZ; （d ） columnar-structured SPS-YSZ
第 1 期
航空发动机和工业燃气轮机热喷涂热障涂层用金属黏结层：回顾与展望
17
氧化层的抗脱落能力，提高热障涂层寿命，比如对HVOF-M CrAlY 表面进行激光处理和表面喷砂[30-31]
，
以及在HVOF-M CrAlY 表面增加一层称作“快覆
涂层（flash coat ）”的APS-M CrAlY
[32]
（图3），既能
够提高M CrAlY 中Al 的含量以形成生长速度缓慢、连续且致密的Al 2O 3-TGO ，减轻YSZ/TGO 界面附近的裂纹扩展，又可以增加TGO/M CrAlY 之
间的结合力，避免TGO 过早脱落，达到提高热障涂层寿命的目的；但是，表面喷砂可能会对M CrAlY 表面造成污染，降低界面的结合强度；而激光表面处理和添加“快覆涂层”（flash coat ）将会增加涂层生产过程的复杂性，提高制造成本。
在高Al 的HVOF-M CrAlY 表面增加一层Al 含量相对较低的HVOF-M CrAlY ，从而得到既有较
HVOF-CoNiCrAlY
HVOF-NiCoCrAlY
APS-YSZ
APS-YSZ
APS-YSZ
50 μm
50 μm
50 μm
APS-NiCrAlY
(a)
(b)(c)
图 2 热障涂层中的裂纹[15,24]
（a ）YSZ/TGO 界面（APS-NiCrAlY + APS-YSZ ）；（b ）YSZ/TGO 界面（HVOF-CoNiCrAlY +
APS-YSZ ）；（c ）TGO/NiCoCrAlY 界面（HVOF-NiCoCrAlY + APS-YSZ ）Fig. 2 Cracks in TBCs [15,24]
（a ） in the vicinity of YSZ/TGO (APS-NiCrAlY + APS-YSZ); （b ） in the vicinity of YSZ/TGO
(HVOF-CoNiCrAlY + APS-YSZ); （c ） in the vicinity of TGO/NiCoCrAlY (HVOF-NiCoCrAlY + APS-YSZ)
表 4 新型金属黏结层的发展需求
[13-14]
Table 4 Development requirements for new metallic coatings
[13-14]
Requirement for new bond coat
Aero-engine
Industrial gas turbine
Oxidation resistance by forming a slow growing, non-porous, continuous and adherent α-Al 2O 3 scale layer (TGO)Firing temperature 1650 °C,max bond coat temperature 1100-1150 °C Firing temperature 1300 °C,max bond coat temperature
1050-1100 °C Minimal interdiffusion with the substrate to minimize Al depletion
Expected
Expected Minimize upward diffusion of refractory elements to avoid formation of ‘secondary reaction zone’ (SRZ) below the bond coat on the newer generation of Ni base superalloys
Expected
Less critical
Minimally affected by impurities such as S, C, etc
Critical
Critical Minimal strain misfit with the substrate resulting from thermal expansion differences
Expected Less critical Minimum imperfection along YSZ/bond coat interface Expected Expected High creep strength to suppress plasticity/rumpling effect
Expected
Less critical Compatibility with the processes to coat internal cooling passages of the blade Expected Expected
Cost control
Minimum use of expensive elements such as Pt, Re, Ru and Pd Minimum use of expensive elements such as Re and Ta Compatibility with “low K ” TBC formulations and processes Expected Expected Very large parts, VPS/LPPS/EB-PVD cannot be used Less critical Expected Compatibility with SPS and SPPS processes Less critical Expected Compatibility for dense-segmented TBC processes Less critical Expected
Compatibility for special fuel
High H 2 fuel blends High H 2 fuel blends and heavy fuel oil (HFO)Thicker layers and longer service intervals, 30000-40000 h
Less critical
Compatibility with 1-2 mm thick YSZ
18
航 空 材 料 学 报
第 42 卷
好的抗氧化能力又有较好的抗氧化层脱落能力的双层HVOF-M CrAlY 黏结层（图4）
[33]
。靠近YSZ
层的低Al-M CrAlY 具有较好的抗氧化层脱落能力，而高Al 的HVOF-M CrAlY 层作为供Al 层，为TGO 生长脱Al 的HVOF-低Al-M CrAlY 层补充Al ，避免Al 2O 3-TGO 过早转化为混合氧化物层而致使
涂层失效，以延长热障涂层的工作寿命。而在靠近YSZ 隔热层的HVOF-低Al-M CrAlY 层中加入Al 2O 3颗粒
[34-35]
（图5），称为氧化物弥散强化（ODS ）
M CrAlY 黏结层，使热喷涂热障涂层的高温寿命得到了进一步的提升。但是，此种双层M CrAlY 的应用
也将增加涂层制作过程的复杂性，提高生产成
HVOF-Amdry 386
APS-Amdry 386
YSZ
Epoxy
APS-Amdry 365
Alloy 247
HVOF-Amdry 365Alloy 247
50 μm
50 μm
(a)
(b)
图 3 “快覆涂层”双层黏结层[32]
（a ）APS-NiCoCrAlY/HVOF-NiCoCrAlY ；（b ）APS-NiCoCrAlYHfSi/HVOF-NiCoCrAlYHfSi
Fig. 3 Dual-layer “flash coat ” bond coat
[32]
（a ） APS-NiCoCrAlY/HVOF-NiCoCrAlY; （b ） APS-NiCoCrAlYHfSi/HVOF-
NiCoCrAlYHfSi
Oxidation resistant (HVOF-high Al-M CrAlY)
Superalloy
HOT GAS
YSZ TGO
Spallation resistant (HVOF-low Al-M CrAlY)(a)
图 4 抗氧化+抗脱落的双层HVOF-M CrAlY 黏结层
[33]
（a ）示意图；（b ）化学成分
Fig. 4 Oxidation resistant and spallation resistant dual-layer HVOF-M CrAlY [33]
（a ） schematic diagram; （b ） chemical composition
表 5 热障涂层中构成相和一些氧化物的物理性能
[5,25-28]
Table 5 Physical properties of the constituent phases and some oxides in TBCs
[5,25-28]
Alloy /Oxide Density /
(g•cm -3
)Melting point /°C Max use temperature /°C Hardness /GPa Fracture toughness /
(MPa•m 1/2
)CTE /(10−6• °C −1)M CrAlY
91260 13.5 - 19.0Typical Ni superalloys 91260 15 - 18ZrO 2 - 8% Y 2O 3 5.826001260 1.8 - 2.411Al 2O 3
3.692072170011.8 3.58.0 - 9.53Al 2O 3 + 2SiO 2, mullite 2.8 165010.72 5.4Cr 2O 3 5.22435 7HfO 29.682758 9.5 6SiO 2 2.217101100
4.5 - 9.50.62 - 0.670.55Ta 2O 58.21872 6 3.6TiO 2 3.97183015679.33 2.4 - 3.38.4 - 11.8Y 2O 3
5.0124252000≈10 2.57.9 - 8.2ZrO 2
5
2550
1000
5.5
1
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