耐高温涂层及其性能表征的研究进展+
武伟1’2，陈桂明1，刘建友1
(1第二炮兵T程大学装备管理工程系，西安710025；2清华大学机械工程系，北京100084)摘要耐高温涂层在涡轮喷气发动机、高温轴承、高超声速飞行器的热防护以及切削刀具等领域具有广阔的应用背景，在技术创新层面，也具有很大的潜力和良好的发展前景。首先综述了现有耐高温涂层的研究进展，主要包
括扩散涂层和覆盖涂层两大类和陶瓷涂层等七小类，并进行了分类讨论。在此基础上探讨了各种耐高温涂层的制备 方法和技术手段，归类总结了耐高温涂层性能的主要表征方法，综述了耐高温涂层的耐高温及失效机理，最后展望了
其发展的方向。随着相关研究的深入，耐高温涂层在耐温性、抗氧化性、蠕变性、抗冲蚀性等基本性能方面得到进一
步提升，同时对其力学性能、鲁棒性能等方面又提出了更高要求。
关键词耐高温涂层制备方法性能表征耐高温机理
中圈分类号：TQ630 文献标识码：A DOI：10．11896／j．issn-1005—023X2016．03．001
Rese arc h Progress of High-temperature Resistance Coatings and neir
胥荣东Performance Characterization
WU Weil”，CHEN Guimin91，LIU Jianyoul
(1Depa rtme nt of E q u i p m e n t Management Engineering，The S ec o n d Artillery Engineering University，Xi’an710025；
2 De p a rt m en t o f Mechanical Engineering，Tsinghua University，Beijing100084)
Abtract High-temperature coating has a wi de ap p l i ca t i o n prospect o n th e a r e a of thermal p r o t e c t i o n of t he turbo-jet，bearing unde r hig h temperature，hypersonic aircraft an d cutting tools．There a r e als o g re a t p ot e n ti a l a nd
go o d prospects in t he t ech nol ogy in nov ati on．Th e existing research status of high t em pe ra tur e coating is firstly i nt r o—
du ce d wit h t h e m ai n t w o types of d i ff u s io n c o a t i n g an d overl ay coating．Then other s eve n types of ceramic coatings a r e
main discussed by different app l ic a t i o n character．On thi s b a si s，i t discusses abo ut t he preparation t ech nol ogy，t he
per for man ce ch a r a c t er i z a t i o n，t h e hig h tem pe ra tur e re si st an t mechanism an d t h e improving per s p e c t i v e of t h e high
temperature coatings．With th e develo pm ent of t h e r el at iv e techniq ues，t he i m pr o v e me n t of t h e h igh temperature c o a-
ti n g performances i s not only th e re s i s ta n c e of th e hi gh temperature，oxidation，creep and erosion，but a l so t he high
q ua l i ty o f mechanical an d robust performanc e．
Key wo ld s high-temperature r e si s t a nc e coating，p reparation technology，performance characterization，high temp era ture r es is t an t mechanism
到多元复合材料并通过添加活性元素使其性能得到进一步0引言 的改善和提高[2]。随着航空航天业的快速发展。耐高温涂层
耐高温涂层是目前表面技术和涂层材料领域研究的热材料日益引起各国学者和研究人员的高度关注，各国材料学点之一。作为材料热防护系统的核心，其在航空航天、切削者都在研究新一代强度高、抗蠕变、室温断裂韧性好、抗氧化刀具、高功率发动机以及军事装备保障等领域得到了广泛应性强、组织性能稳定和使用寿命长的涂层材料。耐高温涂层用。近年来，在碳／碳(C／C)复合材料和高温合金钢等材料表能有效防护基体材料受热腐蚀、氧化、断裂等高温失效行为，面制备耐高温涂层的研究得到了快速发展，相关成果已成功同时通过在低级材料表面制备耐高温涂层达到高级材料的应用于导弹的再人头锥、固体火箭发动机喷管、航天飞机结热防护性能，也大大降低了成本。目前，我国先进高温防护构部件、商用飞机与军用飞机及赛车刹车盘等方面[J]。耐高涂层材料技术已经成为与新型高温结构材料技术、新型高效温涂层已从传统意义上的铝化物涂层发展到今天的热障涂气冷叶片技术并重的三大关键技术之一[3J。
层以及智能型涂层，从单层发展到多层梯度涂层及微叠涂1耐高温涂层的分类
层，从合金涂层发展到目前的陶瓷涂层以及复合型陶瓷涂
层。此外，涂层材料也得到了大大的拓展，从金属材料发展耐高温涂层的分类方法众多，按涂层与基体是否发生反*科技创新团队资助项目(2014K CT-03)；军内科研项目(WG2014EP020002) 武伟：男，
1987年生，博士，从事表面
织构、涂层及表面改性相关研究Tel：029—84741861 E-mail：foterlk@tom．corn
万方数据
2·材料导报A：综述篇2016年2月(上)第30卷第2期
应为前提，实现热防护功能，可分为扩散涂层(Diffusion c o a-1．2．1金属(合金)涂层
ting)和覆盖涂层(Overl y coa ting)。按涂层的层数，可分为单美国已先后研制了Ta-10W、Ta-SW一2HI、Ta-222等，分层涂层、多层涂层(Muhilayer coating)和微叠涂层(Micra 别应用于宇航核动力装置的强化结构材料、空间用包裹热力folding coating)。按涂层材料的不同，可分为合金涂层(A1一发动机热源、冥王星探测装置材料等[1引。但是钽、铌合金在loy coating)、陶瓷涂层(Ceramic coating)及复合涂层(COrn—600℃以上会被严重氧化，为解决这个问题，一些学者在钽p o s i te coating)等。基、铌基合金表面制备高温抗氧化涂层，并对涂层性能做了按照不同的分类标准，一种涂层可以被归为不同的类研究[13-15]。20世纪80年代开发的可以调整涂层成分、能在别，为方便描述，本章从扩散涂层、覆盖涂层两大类对耐高温更高温度下起到抗氧化作用的MCrAIY(M表示Fe、Ni、Co 涂层材料的研究进展进行综述，重点对近年来研究较多的陶等)包覆涂层，是覆盖型合金涂层的典型代表之一[16|。2
0世瓷涂层、热障涂层的研究进展进行归纳。纪90年代，从金相形成、扩散方向、扩散层、抗氧化层等方面1．1扩散涂层对该涂层的性能进行了大量研究。Gil等一17]研究了表面形貌扩散涂层是指通过与基体接触并与其内确定元素反应对FeCrAlY／CoCrAIY涂层抗氧化性的影响，从800℃到从而改变基体外层的涂层。扩散涂层制备技术相对成熟，也1100℃下1000h氧化后，粗糙表面氧的增量比抛光表面氧是目前应用最广的一种高温防护涂层技术。基本原理是基的增量高，且与表面形貌相关。Sloof等[I钉综述了MCrAlY 于在镍钴铁基合金表面经热扩散过程形成金属间化合物，从涂层性能的研究进展，指出此类涂层的热性能与化学成分、而提高涂层的附着力和基体合金的抗氧化性。主要金相、Y元素的扩散、氧化环境、制备前的热处理等因素扩散涂层的代表为在镍基、钴基合金上热扩散渗铝，分直接相关。高熔点难溶金属的合金涂层正在被广泛地适用别获得NiAl、CoAl涂层等，最常见的扩散元素为铝、铬、硅于航空航天产业，新一代抵抗超高温的超级合金涂层正在研等。铝化物涂层从20世纪50年代发展至今，工艺相对成制与实验之中，涂层的微观理化机理研究将是合金涂层的研熟，高温性能稳定，占据了整个耐高温涂层的90％左右，其高究重点。温抗氧化性能主要源于表面生成了致密的Al：O。阻挡层。1．2．2陶瓷涂层Kim等[4]和Bai等口3研究了铝处理
对高温下稳定阻挡层生成陶瓷涂层技术已成功地应用于航空航天、石油化工、机的影响，以此提高涂层高温性能，铝化物涂层中铝元素在高械等行业，因使用环境和性能的不同，可选用不同基体和制温氧化后，产生瞬态的0相和7相A l。0。，当其转化为n—备工艺。按陶瓷涂层的组成，可以分为氧化物
涂层、金属间Al。03时，才能形成连续、稳定、致密的防护层。为改善铝化化合物涂层、复合涂层等。物涂层性能，进行了添加Ce、Y、Cr、Pd、Pt、Rh、Hf、Ir、Pt等(1)氧化物陶瓷涂层元素的试验研究[6_8]。研究发现，添加铂(Pt)，形成改进型的氧化物陶瓷应用比较广泛，其突出的性能是耐蚀性、耐铂一铝涂层，能够提高涂层的选择性氧化和基体的结合力，抑热性，常用于耐腐蚀和耐高温的涂层材料，使用较广泛的有制合金的扩散，显著提高其涂层性能。Alz03、Ti02、Cr203、ZrO以及它们的复合氧化物。但是由于目前对铝化物扩散涂层的研究集中在添加铂(Pt)、钯氧化物与基体材料的线膨胀系数相差较大，在循环高温氧化(Pd)对涂层高温性能的改进上，但是对于其作用机理没有形下，涂层容易破裂。一些学者探索了解决这一问题的方法。成一致的观点。Svensson等运用理论计算和实验，研究了Pt “等在MCrAIY合金表面，使用微电弧弧光放电制备
了的添加量对p—NiAl的影响，提出铂的作用是放大了涂层与氧A l：0。一Y。03陶瓷涂层，涂层在900℃下具有较好的抗氧化性的接触区，并在接触区形成了利于Al：0；形成和堆积的空和基体结合力u 9|。Niu等在NiCrFe合金基体上，用溶胶凝洞[9J。Das等[Io]从铂一铝涂层的微观结构和热氧化性方面，指胶法制备Si02-AI：O。陶瓷涂层，当SiO：与AI。0。比例为
5：出粘合层微观形貌影响氧化物的相变，从而改变涂层抗氧化1时在650℃烧结2h制备的涂层，基体与涂层的膨胀系数特性。Radoslaw等In]在CMSX-4超耐热不锈钢表面分别制相当，高温下有较好的粘附性心。董世知等分别以
Al。03和备铝化物涂层、掺Pt的铝化物涂层和掺Pt+Pd的铝化物涂S iOz为基质氧化物，在850℃下制备陶瓷涂层，测试分析结层，对比了三者在1100℃及30 h循环氧化后涂层的微观失果显示，经热固化后两种涂层均产生了大量新相，增加了涂效情况，结果显示，微观失效相似。但掺Pt和Pt+Pd的铝层的抗热震性能的同时，新产生相
的化学稳定性使涂层耐化物涂层，抑制了Al从初始的pN iAl中丢失形成大量7，-酸、碱、盐的能力有不同程度提高，但是由于SiO。能使涂层
Ni。Al，从而增加了Al。03的合成率，同时Pt／Pd和fl-NiAl形更加致密，综合性能较优[2“。
成稳定相，阻碍了基体元素扩散。(2)金属间化合物陶瓷涂层圈禁by靡靡之音
1．2覆盖涂层金属间化合物陶瓷涂层包括硼化物、碳化物、氮化物及覆盖涂层是利用物理、化学等方法在基体表面涂覆或沉硅化物陶瓷涂层，以硼化物和碳化物陶瓷居多。硼化物陶瓷积一层保护性的薄膜，阻碍高温下基体被腐蚀和氧化的一类涂层，由于具有高熔点、高硬度、高抗氧化性和高耐磨性等性涂层。覆盖涂层与扩散涂层最本质的区别在于，其是否与基能而作为硬质工具材料、磨料、合金添加剂及耐磨耐蚀部件，体材料发生化学反应。按照材料的不同将覆盖涂层划分为又具有优良的电性能，故作为惰性电极材料及高温电工材金属(合金)涂层、陶瓷涂层、复合涂层。料。硼化物陶瓷涂层包括二元硼化物陶瓷基涂层和三元硼
万方数据
耐高温涂层及其性能表征的研究进展／武伟等3
化物基的金属陶瓷涂层，前者代表为ZrB2、CrB2及T峨，后气中氧化150 h后失重率低于1％。李贺军等采用两步包埋者以M02FeB2、MozFeB2和MoeoB的研究居多。由于其完技术在C／C复合材料表面制备出具有3层结构的SiC／Mo—整性不好，其较高的烧结温度又大幅度降低了基体的力学性Siz-Ti—Siz-SiC／MoSi2一TiSi2-SiC复合涂层，该涂层可在1500 能，制备大尺寸零件覆层时受到限制[22|。Audronisa等用脉℃静态空气中防氧化79 h[3。侯党社等[3嵋采用包埋技术在冲磁控管溅射(PMs)松散的混合粉末，可大面积制备硼化c／c复合材料表面制备SiC-TaSi：／MoSi。抗氧化复合陶瓷涂铬涂层，薄膜呈致密的晶体结构，没有明显的结构缺陷，硬度层，结果表明，该涂层具有优异的抗氧化和抗热震性能，在达到39 GPaE2引。研究表明随着B含量的减少，涂层表面硬1500℃氧化326 h和经过23次1500℃至室温间的急冷急度降低，而且脉冲磁控溅射比普通磁控溅射工艺制备的硼化热后，其失重率仅为0．97％。
铬涂层性能更加优越。(4)热障涂层低乳糖
碳化物陶瓷涂层很难单独制备，一般与具有粘结作用的在复合陶瓷涂层中，近年来对于热障涂层的研究较多，金属，如钴、镍基自熔性合金制成金属陶瓷，兼具高硬度和优主要应用在航空发动机热端部
ADAMSGOLF
件，包括高压涡轮导向叶片、异的高温性能。Liu等在Ti-AbZr合金表面制备了WC-涡轮转子叶片和燃烧室等。热障涂层是沉积在耐高温金属25CO陶瓷涂层，涂层提高了基体高温下的耐磨性，且随着测或超合金的表面，由隔热性能优良的陶瓷氧化物层和起粘结试温度升高涂层磨损量显著减少[2“。Kang等在石墨基体上作用的金属粘结层组成的一层陶瓷涂层[32|。陶瓷层的作用制备SiC及SiC／Si。N。涂层，涂层性能分析结果显示，涂层厚是形成沿涂层厚度的高温梯度，减弱向基体的传热，提高基度由基体孔隙率决定，温度上升SiC涂层硬度增加10b15 体的抗磨损、抗高温氧化及抗腐蚀性能，粘结层作用是使陶倍，虽SiC／Si。N。涂层厚度比SiC涂层薄，但是前者硬度比后瓷层和合金基体物理性能兼容。普遍使用的热障基体是镍者大[25|。同时，多篇文献报道SiAl0N(硅铝氧氮聚合材料) 基高温合金，其主要含有Ni、Cr、Al、Y元素，有时还添加少
量是一种优质耐高温陶瓷，它实际上是Si。N。中Si、N原子被如Co、Ti、W、C等其他元素。如图1所示，热障涂层主要
有3 Al和O原子置换所形成的一大类固溶体的总称。Celik种结构模型：双层、多层和梯度系统。等[263掺杂TiCN
纳米粉末，制备a／B SiAION-TiCN复合涂首先，讨论其陶瓷层材料。稀土锆酸盐Ln2Zr。02陶
瓷层，通过在800～1200℃抗氧化性能研究表明，该涂层在(Ln代表稀土元素)具有熔点高、高温结构
稳定性好、热导率
1 100～1200℃仍然能为基体提供有效热防护。低等优点，是一类新型的热障涂层材料[33’34]，相比于镍基高
(3)复合陶瓷涂层温合金，具有更低的弹性模量、热导率，更好的高温稳定性，
单一相陶瓷涂层的性能往往不如复合涂层，复合涂层拥但锫酸盐(Ln：Zr。02)热障涂层的热循环性能比较差，主要是有
多相、多结构，能够最大限度实现各种功能，因此，开发具因为它的热膨胀系数较低，断裂韧度不足。最新研究发现，
有多种结构和性能的复合陶瓷涂层是高温陶瓷涂层的发展在LnzZr：02系列材料中的Ln位或zr位进行掺杂可改善其热点及方向。Zhou等[271采用浆料浸涂与原位反应复合工热物理性能，如Zhou等[35]在Nd。Zr：0，中掺杂摩尔分数艺，在材料表面制备了Zrl32一SiC超高温陶瓷涂层，经1500℃20％的Ce02后，材料仍然为烧绿石结构，热导率比未掺杂下烧蚀600s，ZrB2一SiC涂层无明显烧蚀，c／c复合材料保持的Nd。Zr。07低，热膨胀系数有所提高。LazCoz02(Lc)是以完好。烧蚀试验表明，涂层具有良好的抗烧蚀性能，烧蚀后
CeO。为溶剂的固溶体，具有高热膨胀系数、低热导率和良好的微观结构观察表明，涂层中存在ZrOz和大量超高温陶瓷
的高温相稳定性，然而，研究发现LC材料在200～400℃温
相。马壮等用热化学反应法在Q235钢基体表面分别制备了度区间内热膨胀系数有异常。Ma等[36]采用Taz 05掺杂硅酸盐矿物陶瓷涂层和添加A1一TiO。一B20。反应体系复相陶L C，抑制了LC材料在低温段热膨胀系数异常下降的现象，瓷涂层，XRD分析显示，有T峨、FeNi。、CaNio．。Si。．。等新相产通过涂层结构优化设计制备了I
￡／YSz双层结构热障涂层。生，耐蚀性试验表明耐酸、碱、盐性能相对基体分别提高8．6 该双层结构热障涂层经过2000次以上热冲击，仅有5％面积倍、4．4倍和6．2倍，耐蚀性优于纯硅酸盐矿物涂层[28]。发生剥落。Xie等研究了具有磁铁铅矿结构的hTiAl。，09 陶瓷涂层具有一定脆性，容易产生裂纹，为消除裂纹，除(LTA)材料和热障涂层，采用固相反应合成的LTA材料在了采用玻璃密封层来填补外，还可通过制作复合相的梯度涂
真空测量室温到1600℃保持良好的相稳定性能，LTA块材在1400℃
层从根本上进行消除。如今应用较多的结构由内而外依次的热导率与YSZ相当，热膨胀系数能很好地满足热障涂层
的为：(1)过渡层，用以解决复合材料基体与涂层之间热膨胀系需要，力学性能也表现良好[37’3引。数不匹配的矛盾；(2)阻挡层，为氧气的扩散提供屏障，防止热障涂层与基体间的粘结层通常选用具有抗高温氧化
材料氧化；(3)密封层，提供高温玻璃态流动体系，愈合阻挡能力的MCrAlY合金(M通常代表Fe、Ni、Co、NiCo等)，但层在高温下产生的裂纹；(4)耐烧蚀层，阻止内层在高速气流当使用温度高于1150℃时，该合金表面会生成相对较厚的
中的冲刷损失、在高温下的蒸发损失以及在苛刻气氛里的腐氧化膜，增厚的氧化膜导致应力集中而发生剥落，引起涂层
蚀损失。Smeacetto等[29]在c／c复合材料SiC涂层表面制的过早失效。由于NiAl熔点高(1638℃)、密度低、弹性模
量备了3层抗氧化陶瓷涂层，其内层为l?-sic，中间层为较高，在1200℃及以上温度能够形成保护性氧化膜，是
一种 MoSi。+硼硅盐玻璃，外层为Y。03+硼硅盐玻璃，其中间层优良的热障涂层粘结层材料。目前对粘结层的研究集中于与外涂层均采用料浆法制备，该涂层体系在1300℃静态空对NiAl的改性上，Guo等[39]通过研究发现Hf改万方数据
性的NiAl
·4·
材料导报A ：综述篇 2016年2月(上)第30卷第2期
涂层的氧化速率较高，但氧化膜的粘结性好，抵抗循环氧化 料涂层；缺点是喷涂的层状结构抗热冲击能力差，喷涂材料 剥落能力提高。Marino 等使用铂(Pt)改变了NiAl 在热障涂 在化学成分和晶体结构上常处于非平衡状态，涂层内存在空 层中的扩散能力，从而提高了热障涂层的使用寿命，采用第 隙和空洞，并有氧化物和夹杂等。等离子喷涂主要适用于
高
一性原理计算了原子的扩散水平和机制，其作用机理在于使 熔点材料、金属陶瓷等材料的喷涂。yon Niessen 报道了由
一些中间产物产生的点缺陷及晶格缺陷更加稳定，从而增强 Sulzer Metco 发明的一种热喷涂新方法[46|，该法将等离子喷 了NiAl 及Ni 的扩散率[40]。wu 等[41]研究了镝(Dy)在伊 涂与物理气相沉积有效结合，克服了上述缺点，并通过柱状 NiAl 中的占位态密度和Mulliken 集居数，计算结果表明， 热障涂层制备实验证实了该方法的可靠性；超音速火焰喷涂 NiAlDy 中的Al(S ，p)电子与Ni(d)电子相互
作用强于纯 涂层由于其致密度高、孔隙率低、结合强度高、
涂
层内的残余 NiAl ，这也正是NiAlDy 力学性能更好的原因。 应力为压应力等优点，逐渐取代了等离子喷涂，在耐磨、抗氧
双层结构习曰
多层结构 梯厦结构
化、耐腐蚀和机械零件修复等领域得到了较广泛的应用[4
Guo 等[4胡分别运用等离子喷涂和超音速火焰喷涂在相同条 件下制备铁基非晶的耐腐蚀涂层，对比结果显示后者制备的 涂层耐磨、耐腐性能较好，但是氧含量较大。超音速火焰喷 涂的缺点是很难控制喷嘴火焰温度和速度，因此需要花大量 时间探索喷涂工艺参数与涂层性质之间的关系。 图1热障涂层结构系统示意图 2．1．2气相沉积技术
Fig ．1 S ch em at ic diagra m of t h e system s t
r u c t u r e about t he 制备耐高温涂层的气相沉积技术主要有电子束物理气 thermal ba rr ie r c o a t i ng
相沉积法(EB-PVD)和化学气相沉积法(CVD)。这两种气相 灰尘、沙土等进入燃烧室后融化而附着在涡轮发动机叶 沉积技术的优点在于：与喷涂设备相比，沉积装置更简单；可 片上，形成一层玻璃相物质，这些玻璃态沉积物的主要成分 在低于其分解温度的环境下制备耐熔金属及各种碳化物、硼 是CaO 、MgO 、Al 。03和Si02等，通常简称其为CMAS 。由 化物及硅化物涂层；制备中可方便控制调节反应物成分，以 于涡轮发动机工作温度高，其表面的热障涂层对CMAS 的反 此灵活控制薄膜的成分和特性；适用于复杂零件内孔涂层制
应比较敏感，经过长时间运转，会对热障涂层产生较大的腐 备。其缺点有：沉积速率不高；涂层厚度较薄；制备反应中生 蚀与破坏，故越来越多的学者展开了对热障涂层的CMAS 防 成的有毒有害易燃气体需要回收和防护。这两种方法主要 护的研究。Vidal-Setif 等对退役军用涡轮发动机表面氧化锆 适用于制备厚度较薄的薄膜涂层，但涂层更致密，热循环寿 热障涂层的微观结构进行分析，以研究CMAS 对热障涂层的 命提高数倍，抗氧化和热腐蚀的性能更好n 9|。闫志巧等嘞] 影响，对CMAS 的成分分析显示，除含有CaO 等外还有大量 用化学气相沉积法和刷涂法在C ／SiC 复合材料表面制备了 FeO 和Fe203存在[42。。Dexler 等[43]发现等离子喷涂 具有多层结构的高温抗氧化涂层，实验证实该法所得涂层抗 Gd2Zr207和YSZ+Al+Ti 热障涂层能与cMAS 反应生成 氧化性及热震性能良
好。 稳定的结晶产物而有效阻止CMAS 的渗入。Rai 等尝试了 2．1I 3激光熔覆法 多种抗CMAS 破坏的材料，发现在涂层上涂覆一层致密连续 激光熔覆法(Laser cladding)制备高温抗氧化涂层的优 的Pd 层能有效抑制CMAS 的侵蚀[4引。Bacos 等发现Zr02 点有：被熔覆的试件变形和翘曲较少；熔覆层的显微组织细 中添加摩尔分数12％的Nd ：O 。和Nd ：Zr 。07能够有效减轻 小，且组织结构中大部分处于非平衡和亚结晶状态，增强了 CMAS 的渗入，其原因是它们与CMAS 的反应产物填充了 涂层的力学和机械性能；由于激光的强化效应，熔覆层硬度 电子束物理气相沉积热障涂层的柱间间隙和柱内空隙[4
较高。其缺点有：熔覆中会存在应力集中而形成裂纹；激光 还有一些学者发现在热障涂层表面涂覆一层保护层后，涂层 参数对不同材料和工况的加工工艺相对复杂等。Sun 等研究 的抗CMAS 能力可得到提高。 了激光熔覆中激光能量、扫描速度、送粉率等参数对TCA 涂 2耐高温涂层的制备方法及性能表征 层的影响，结果显示，在适中的送粉速度下，降低激光能量和 提高扫描速度有利于提高涂层质量‘5“。曾维华等‘523通过在 2．1 主要制备方法及其优缺点 1Crl8Ni9Ti 不锈钢表面激光熔覆Ni25WC35合金粉末，研究 涂层制备技术是决定涂层性能的关键因素之一，常见的 了不同工艺参数对激光熔覆层耐腐蚀性能的影响，发现随着 高温抗氧化涂层制备技术有：等离子喷涂法、超音速火焰喷 激光功率的增加，熔覆层的耐腐蚀性能降低，随着扫描速率 涂法、气相沉积法、磁控溅射法、溶胶一凝胶法、料浆涂覆烧结 增加，耐腐蚀性能先增加后降低。Liu 等口∞在激光熔覆制备 法、包埋法
以及处于探索阶段的激光熔覆法等。各种制备方 高温耐磨涂层中为避免基体热分解和增加基体与涂层的结 法均有其优缺点，需要根据所制备涂层的材料及预期性能选 合性，熔覆前先在基体上电镀一层封装有WS2粉末的微米级 择适宜的方法。 N-P 薄膜，提高了涂层的结合性能和耐热性能。 2．1．1等离子喷涂与超音速火焰喷涂 对于磁控溅射法、料浆涂覆烧结法、溶胶一凝胶法、包埋法 对等离子喷涂而言，其优点主要是温度高热量集中，有
等方法，在此不再详述。高温抗氧化涂层的制备方法及其工 惰
性工作气体的保护，涂层中氧化物较少，便于制备活性材
艺直接影响所制备涂层的性能，是涂层发展中的一个重点和
万方数据
耐高温涂层及其性能表征的研究进展／武伟等
．5．
难点，研究如何制备结构优良、表面致密及性能良好的高温 成，涂层密度变大，体积发生收缩，因此涂层表面的孔隙率会 耐热涂层，具有重要的理论研究价值和工程实用参考价值， 随之增加。从晶
体结构来看，高温氧化反应下，许多晶体间 也是表征涂层性能及指导工艺改进的基础。 化学键断裂，形成混合物质的非晶或微晶结构，在该混合区
2．2性能表征方法 域内，晶粒之间形成很多微界面，在较大内应力作用下，微界 2．2．1 对涂层的组成及组织结构袁征 面处容易形成裂纹并进一步扩展。 耐高温涂层的诸多性能主要取决于涂层的组成及组织
3．2涂层缺陷处的氧化及烧蚀失
43cao效 结构，涂层粒子变形是否充分、孔隙分布是否均匀等将最终 涂层制备过程中，在物质组成或晶体结构上，难免会存 决定抗冲刷和抗氧化性能的好坏。这方面的表征主要是运 在缺陷，缺陷处被氧化或烧蚀的几率较大，并逐步发生扩展， 用SEM 观察涂层的微观结构，使用XRD 或EDS 进行元素 使涂层整体失效。研究发现耐高温涂层的失效主要发生在 及含量分析等，是涂层制备及实验结束后首先应该表征的性 粘结层与陶瓷层的界面处，是热膨胀系数的差异导致的
热内 能之一。
应力失配所致，而高温下粘结层的氧化伴随着体积膨胀，增 2．2．2涂层与基体结合性能表征 加了内应力的失配程度。Kakuda 等[563研究了E&PVD 制备
涂层结合强度反映了涂层与基体的完整性，可以依据航 涂层的失效形式，结果显示，粘结层的氧化为涂层失效的主 空工业标准HB 547691对涂层的结合强度进行测量，也可以 因，而且失效一般发生在基体与粘接层界面的氧化层内。同 通过抗热冲击性能测试实验、测量残余应力等方法表征涂层 时，耐高温涂层也会由于脆性氧化物的生成引起其产生裂 与基体的结合强度。 纹。陈和兴[573在镍基合金基体上制备热障涂层后，研究了涂 2．2．3抗粒子冲刷(冲蚀)性能表征 层界面的扩散和反应，发现随着粘结层中Al 的大量消耗，基 耐高温涂层的抗冲刷(冲蚀)性能是涂层性能评价的重 体和粘结层在互扩散时会在界面处析出一定的有害相，如 要指标之一，对于涂层的实际应用至关重要。此项性能一般 丫，-Ni 。Al 。它们都是脆性的金属间化合物，会严重削弱粘结 采用高温冲蚀磨损试验装置进行测试，可以设定试验温度、 层与基体之间的结合强度。当出现穿透陶瓷层的裂纹，氧的 冲蚀速度、冲击角度、冲蚀时间等参数。 向内传输加快，发生比较严重的内氧化，此时金属粘结层与 2．2．4涂层高温抗氧化及抗热震性能表征 陶瓷层界面处不仅形成Al ：03，还会形成尖晶石类等氧化物， 相关研究表明，热震将会导致耐高温涂层模量减小、应 这种氧化物会进一步增加脆性，使基体与涂层热膨胀系数不 变增大，并发生不可恢复性损伤。因此，高温热震对涂层力 匹配程度加大，加速裂纹的扩展。 学性能具有重要的影响，从而直接影响其服役性能。抗氧化 及热震性能的表征一般
将试样置于某高温区，氧化一段时间
4结语和展望 后迅速取出，急冷至室温(或更低温度)，然后反复进行以上 耐高温陶瓷涂层因其优异的
高温性能而得到大量研究 测试，最后在分析天平上称量试样的质量，用质量损失率来 与广泛应用，已经从单纯的材料研制发展到材料与结构相结 表征涂层的高温抗氧化及抗热震性能，同时在高温热震实验 合的新型热防护系统；从传统的防热、隔热分开设计向防热一 后，通过SEM 观察表面微观形貌，也能表征其抗氧化及热震 隔热一体化的轻质方向发展；从传统的烧蚀热防护向非烧蚀 性能。 热防护方向发展。研制过程也由单一研究材料向基体一涂层 共同作用过程及机理研究方向发展。但是耐超高温陶瓷还
3耐高温涂层的耐高温及失效机理
存在致命的弱点，如固有的脆性比较大，热膨胀系数不匹配， 耐高温涂层的失效机理主要包括两类：一类是热应力分
抗热冲击能力较差，密度比较大等。这些问题需要在今后研 配不均引起的失效，另一类是高温下涂层缺陷处的氧化及烧 究中得到改善或解决。 蚀失效。涂层在高温下工作时，这两类形式的失效共同存 随着发动机推重比和可靠性的提高，在非常复杂和极端 在。占主导的失效形式视基体与涂层材料而异。 恶劣的多场耦合高温环境下，耐高温涂层的抗热震性、抗氧 3．1热应力分配不均引起的失效 化性、隔热性、耐腐蚀性及高温力学性能等将面临更大的考 由于涂层与基体以及多层涂层的层间的热膨胀系数不 验。其在应用和技术层面上都具有很大的潜力和良好的发 同，在热载荷作用下将产生热应
力，应力在界面缺陷处形成 展前景，但也存在一些有待解决的问题，主要包括：制备工艺 应力集中而产生微裂纹，在随后的热循环过程中微裂纹会彼 的创新与制备成本的降低，涂层附着力的控制，涂层失效机 此连通，形成宏观可见的裂纹[5“。裂纹的生成是许多耐高温 理的研究，涂层性能测定与表征等。其中涂层的耐热性和增 涂层失效的主要原因之一，高温服役状态下涂层除热膨胀系 强涂层与基体材料的结合力是耐高温涂层的研究及应用关 数不匹配造成裂纹外，许多情况下在原有的涂层与基底间会 键。对于热障涂层的研究还需解决以下几点：1400℃以上新 有某些新物质生成，促使裂纹加剧。如热障涂层和金属粘结 型超高温热障涂层陶瓷层材料的研究；1200℃以上抗超高温 层之间很容易生成一层TG0，这层氧化膜的出现和演变是 氧化并与先进单晶高温合金界面匹配的新型粘结层材料的 引起涂层失效的重要因素[s
研究；新一代长寿命热障涂层的制备技术的研究；先进热障 耐高温涂层在高温氧化过程中，生成的氧化物会发生非 涂层性能表征方法研究；针对CMAS 的防护技术的研究。
稳定态向稳定态的转变(如Al 。03)伴随稳定态氧化物的生 为了适应燃气涡轮机等热防护系统更宽的工作环境，耐
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