熱噴涂耐高溫涂層研究現狀及發(fā)展趨勢

1、熱噴涂耐高溫涂層研究現狀及發(fā)展趨勢無機非金屬12-2班，祝超鋒 1201130633摘要：熱噴涂技術，高溫可磨耗封嚴涂層的研制，以及對噴涂層技術的發(fā)展及展望。1熱噴涂技術的發(fā)展情況1.1熱噴涂技術的發(fā)展熱噴涂是通過火焰 、電弧或等離子體等熱源將某種線狀或粉末狀的材料加熱至熔化或半熔化狀態(tài) , 通過氣流吹動使其霧化 , 并高速噴射到經過預處理的基體表面 , 以形成噴涂層的表面加工技術 。熱噴涂技術的產生和應用已有近百年 3 , 最早的熱噴涂技術始于 1882年 , 德國人用一種簡單的裝置將熔融態(tài)金屬噴射成粉體 。 真正的熱噴涂技術則產生于 1910年 , 在瑞士被 V.SCHOOP博士研究出來

2、, 他發(fā)明了固定式坩堝熔融噴射裝置 。 20世紀后期 , 熱噴涂技術的基礎研究越來越受到重視 , 主要集中于噴涂過程中的粒子狀態(tài)及其影響因素的研究 。 在其應用研究中 , 涂層與基體的結合技術是一個熱點 。 進入 21世紀 , 納米技術的研究為熱噴涂一個研究的熱點 , 其引入為改善涂層的性能開拓了新途徑 。可磨耗封嚴涂層發(fā)展趨勢隨著新型航空發(fā)動機使用溫度的不斷提升以及航空發(fā)動機材料的更新換代，對可磨耗封嚴涂層的綜合使用性能提出了越來越高的要求，因此亟需在國內現有可磨耗封嚴涂層研究的基礎上，開發(fā)研制具有更高使用溫度和適應更新一代發(fā)動機材料的新型可磨耗封嚴涂層。2.1 高溫可磨耗封嚴涂層的研制隨著

3、航空渦輪發(fā)動機向高流量比、高推重比和高進口氣體溫度方向的發(fā)展，對高溫部件的耐高溫能力提出了越來越高的要求。目前，發(fā)動機葉片的使用溫度已經從 20 世紀 70 年代的 9601100發(fā)展到現在商用飛機的 1500以及軍用飛機的 170024。隨著壓縮空氣溫度的逐級升高，可磨耗密封涂層的使用溫度也從 300提高到 1100，目前其使用的最高溫度已經達到 1200以上 25。因此，研制適用于 1100以上的新型高溫可磨耗封嚴涂層材料已成為可磨耗封嚴涂層領域的重要研究方向之一。隨著使用溫度的提高可磨耗封嚴涂層材料已經從低熔點的金屬基封嚴材料向高熔點的陶瓷基封嚴材料發(fā)展。在高于 1100的使用條件下，常

4、用的金屬基MCrlY封嚴涂層材料已經不能滿足使用要求， 目前具有更高使用溫度且與高溫合金基體具有更好相容性的氧化釔穩(wěn)定氧化鋯（YSZ）基可磨耗封嚴涂層材料已經成為最具發(fā)展?jié)摿Φ姆鈬啦牧现弧Ｈ欢?，對于陶瓷基可磨耗封嚴材料，其在長期高溫使用過程中的抗熱震性能和高溫穩(wěn)定性就顯得至關重要。因此，有必要在現有研究基礎上對涂層成分和結構進行進一步優(yōu)化，以使涂層具有更優(yōu)的綜合使用性能。首先，YSZ 在高溫下長期工作時，起穩(wěn)定作用的 Y2O3 容易析出，使 ZrO2 隨之發(fā)生相變，相變伴隨的體積變化會使涂層發(fā)生開裂甚至剝落，嚴重影響其使用性能。因此，研究具有更優(yōu)穩(wěn)定性能的 ZrO2 穩(wěn)定劑是提高氧化鋯陶瓷高

5、溫穩(wěn)定性的有效手段。 S使用條件下，常用的金屬基 MCrAlY 封嚴涂層材料已經不能滿足使用要求，目前具有更高使用溫度且與高溫合金基體具有更好相容性的氧化釔穩(wěn)定氧化鋯（YSZ）基可磨耗封嚴涂層材料已經成為最具發(fā)展?jié)摿Φ姆鈬啦牧现?。然而，對于陶瓷基可磨耗封嚴材料，其在長期高溫使用過程中的抗熱震性能和高溫穩(wěn)定性就顯得至關重要。因此，有必要在現有研究基礎上對涂層成分和結構進行進一步優(yōu)化，以使涂層具有更優(yōu)的綜合使用性能。能夠制備與電子束物理氣相沉積具有類似柱狀結構的熱噴涂陶瓷涂層。他們將該技術在制備 YSZ 熱障涂層方面進行了應用研究，發(fā)現該技術制備涂層比傳統熱噴涂涂層具有更優(yōu)異的抗熱循環(huán)性能，圖

6、4 為采用該技術制備 YSZ 熱障涂層的形貌圖 29。與 EB- PVD 涂層的柱狀晶結構類似，ASPS 涂層的柱狀結構有利于松弛冷熱循環(huán)中產生的熱應力，從而能夠大大提高涂層的抗熱震性能。因此，此技術在制備具有優(yōu)良抗熱震性能的陶瓷基高溫可磨耗封嚴涂層方面也具有極大的發(fā)展?jié)摿蛻们熬?。圖 4 軸向懸浮等離子噴涂制備 YSZ 陶瓷涂層形貌圖3.2 陶瓷基復合材料隨著對航空發(fā)動機性能要求的不斷提高，航空發(fā)動機材料也不斷發(fā)展。目前，質量更輕、性能更優(yōu)良的SiC纖維增強 SiC 陶瓷基復合材料（CMC）已經成為發(fā)動機熱門材料，并將會逐漸取代金屬基材料而成為新型發(fā)動機的使用材料30。因此，為適應材料發(fā)展

7、的需要，研制以 SiC 纖維增強 SiC 陶瓷基復合材料為基體的新型可磨耗封嚴涂層也成為重要的發(fā)展趨勢。對于此類涂層國外已經進行了大量的研究，T.E. Strangman 等人31在其專利中提出了一種 CMC 基體可磨耗封嚴涂層體系，該體系由粘結層、功能層以及可磨耗面層組成；在美國能源部項目中，多家機構采用熱噴涂工藝對 CMC 可磨耗封嚴涂層進行了研究并制備出了多種涂層體系，如 Solar Turbines 提 出 的 Mullite based coating/CaTiO3/Metco301 體系，但在試驗過程中發(fā)現金屬基的 Metco301 與陶瓷之間因產生較大的熱應力而發(fā)生剝落，隨后他們

8、在 CaTiO3 與 Metco301 之間增加了梯度層，使涂層的抗剝落性能得到明顯改善；美國聯合技術研究中心（UTRC）在環(huán)境障涂層（EBC）的基礎上制備了 Mullite/Mullite + BSAS/BSAS（其中 Mullite 為 3Al2O3- 2SiO2，BSAS 為 BaO- SrO- Al2O3- 2SiO2）多孔陶瓷涂層體系32并進行了模擬件的涂層制備及測試，取得了較好的效果；Rolls- Royce 公司在 CMC 表面制備了 Yb2Si2O7/Si 可磨耗涂層體系，在 1316下進行了 100 次（1 小時 / 循環(huán)）熱循環(huán)試驗后，涂層狀態(tài)良好33。相比之下，國內對 C

9、MC 基體可磨耗封嚴涂層的研究仍屬空白。因此，研制 CMC 基體可磨耗封嚴涂層也成為國內可磨耗封嚴涂層方面的需要開展的重要研究方向之一。2.2熱噴涂納米陶瓷涂層研究現狀納米結構陶瓷涂層是目前納米結構涂層中研究最多的 。 陶瓷材料由于具有高硬度 、優(yōu)異的耐磨性 、耐腐蝕性以及其他許多特殊性能 , 能滿足許多惡劣環(huán)境下工作的使用要求 , 但傳統的陶瓷材料也有其致命的弱點 , 即韌性較差 , 在受沖擊載荷的情況下容易產生裂紋 、斷裂現象 , 因而在很多場合制約了陶瓷材料的使用 。隨著納米科技的發(fā)展 , 具有納米結構的陶瓷材料與傳統材料相比 , 其韌性顯著增加 , 其機械性能也得到了改善 。年代以來，

10、人們研究了各種各樣的高溫防護涂層，已經取得了很大的成果。從傳統意義上的鋁化物涂層發(fā)展到今天的熱障涂層以及智能型涂層，從單層涂層發(fā)展到多層的梯度涂層和微疊涂層，從合金涂層發(fā)展到目前的陶瓷涂層以及復合型涂層。另外，用于高溫涂層的材料也得到了大大的拓展，從金屬材料發(fā)展到現在的多元復合材料，并通過添加活性元素使其性能得到進一步的改善和提高?？梢哉f高溫防護涂層的發(fā)展與耐熱材料的發(fā)展，尤其是與渦輪噴氣發(fā)動機涂層材料性能的改進密不可分。渦輪是飛機和航天飛機噴氣發(fā)動機的關鍵部件，它在非常嚴酷的環(huán)境下運轉，易受到高溫氧化和熱腐蝕。在組成渦輪的零部件中，葉片的工作溫度最高，受力最復雜，也最容易損壞。為了保護這些熱

11、端部件在高溫下免受氧化腐蝕和延長其使用壽命，人們對高溫結構材料和高溫涂層進行了大量的研究工作，并取得了一些可喜的研究成果。目前一般選用鎳基和鈷基高溫合金作基體材料制造葉片，隨著加工工藝和技術的不斷進步，取得越來越好的效果。目前一般選用鎳基和鈷基高溫合金作基體材料制造葉片，隨著加工工藝和技術的不斷進步，取得越來越好的效果。最早時采用多晶鑄造工藝，即讓熔融的合金在鑄型中逐漸冷卻凝固，一開始就產生無數的晶粒，隨著溫度降低，晶粒不斷長大，最后充滿整個葉片。由于合金冷卻時散熱的方向未加控制，晶粒的長大是隨意的，因此得到的晶粒形狀接近球形，故稱為等軸晶。等軸晶中晶粒之間的界面即晶界容易出現雜質和缺陷，是葉片中最易破壞的薄弱區(qū)，所以必須采取措施凈化晶界。如果當熔融的合金在鑄型中逐漸冷卻時，控制散熱方向，使晶粒按預定的方向生長即采用定向凝固工藝鑄造渦輪葉片，這樣得到的不是等軸晶，而是長條形的柱狀晶。柱狀晶渦輪葉片的最大特點是不存在橫向晶界，當渦輪葉片高速旋轉時，最大的離心應力與柱狀晶的晶界平行，減少了晶界斷裂的機會，從而提高了強度，使葉片的工作溫度提高了約1200，噴氣發(fā)動機的壽命提高了 12% 倍。但柱狀晶仍然存在晶界，只有單晶合金才能完全消除晶界的影響。結束語可磨耗封嚴涂層在提高發(fā)動機效率并降低油耗