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热障涂层隔热性能研究进展

2021-01-20 来源:易榕旅网
王青等:热障涂层隔热性能研究进展 文章编号:1001—9731(2013)23 3363—05 热障涂层隔热性能研究进展 王 青,王亚平,丁秉钧 (西安交通大学理学院,陕西西安710049) 摘 要: 热障涂层(TBCs)具有良好的隔热效果和抗 高温氧化性能,是航空发动机和燃气轮机高温部件的 关键材料。隔热性能是热障涂层研究的关键点,从热 障涂层的材料、制备工艺、涂层组织结构方面综述了其 隔热性能的研究现状和最新进展,展望了热障涂层的 发展方向。 命。高温相变和烧结导致涂层失效 ],已难以满足涡 轮进口温度进一步提高的需要。 为了再提高燃气轮机的效率,人们依旧在寻找隔 热性能更好的热障涂层材料。良好热障涂层一些重要 性能要求是:低热导率、高的热膨胀系数、高熔点、好的 相稳定性、低的烧结率和低的弹性模量l7]。隔热性能 一关键词: 热障涂层;隔热性能;热导率;研究现状 直是先进热障涂层研究的重点。目前,热障涂层隔 中图分类号: TG174 文献标识码:A 热性能的主要研究方向包括开发新材料、探索新的制 DOI:10.3969/j.issn.1OO1-9731.2013.23.001 备与涂层后处理工艺、新型的组织与结构设计等。 高温条件下,涂层传热主要为晶格传热与辐射传 热,提高隔热性能,关键是降低声子的平均自由程,平 均自由程主要由声子间碰撞引起的散射和声子与晶体 的界面和各种杂质、缺陷的作用引起的散射所决定。 目前的主要研究除寻找好的材料外主要目的都集中于 1 引 言 随着航空发动机、燃气轮机向着高流量比、高推重 比、高进口温度方向发展,且燃气轮机叶片面临着苛刻 的服役环境,对燃气轮机叶片性能要求越来越严格。 为了使燃气轮机适应这一恶劣的工作环境,降低热端 部件的工作温度,防止部件的高温腐蚀,提高燃气轮机 功率,减少燃油消耗,热障涂层(TBCs)受到广泛的研 降低声子平均自由程与辐射,表现为降低材料热导率。 David R.Clarke_8 综合涂层各种因素推导出在选择低 热导率热障涂层材料时如果满足|0 。E 。/(M/m)。 取得最小值,p为密度,E是弹性模量,M是分子质量, m是一个分子中所含的原子数,也就是当材料满足大 的分子量,复杂的晶体结构,无方向性的键合,每个分 究 ]。当今航空上使用的燃气涡轮机叶片的工作温 度已经从20世纪7O年代的960~1 100。C发展到目 前的1 500 1 700。Cl3]。到目前为止,最先进的陶瓷 热障涂层已能在工作环境下使涡轮叶片温度降低100 ~子中有许多不同原子这几个条件时,其倾向于拥有更 低的热导率。 300。C_4]。传统的热障涂层一般由金属粘结层 (MCrA1Y(M为Ni、Co或Ni与Co))和陶瓷层(Y O。 部分稳定的ZrO 陶瓷层(YSZ))构成,6 ~8 (质量 分数)YSZ具有良好的性能,已被普遍用于各类燃气轮 机的叶片上。由于YSZ热障涂层的长期使用温度为 1 200。C,超过1 200℃后,YSZ发生T 一T—C的相 2 热障涂层材料的研究 2.1 陶瓷层化合物 目前的研究中,主要方向包括烧绿石结构、钙钛矿 结构、磁铁铅矿结构等复杂结构晶型。典型的研究中, 钙钛矿结构的BaZrO。热导率过大,达到3.4 w/(m・ 变和烧结,使得陶瓷层氧传导率高,过渡金属易被氧化 使涂层脱离;另一方面,航空燃气涡轮发动机使用的燃 料中含Na和S等杂质,以Na SO 形式沉积在高温部 K)(1 000。C),比YSZ(约2.2 w/(rn・K))高许多,且 高温下其热循环与化学稳定性,比YSZ差。而 件上,因此热障涂层经常会遇到Na SO 的腐蚀问题。 尽管ZrO 的抗硫化能力较好,但稳定组元Y O。在上 述气氛中易受腐蚀,而从ZrO 中析出,导致ZrO。由 T和C相转变为M相,引起涂层的失效。无论是涂层 的相变还是内部出现热生长氧化物,这些都会产生内 部应力从而使涂层萌生裂纹,裂纹长大及扩展导致涂 层失效。其失效行为主要表现在涂层与基体的剥落。 SrZrO。在730。C左右产生相变¨g],因此这两种不适合 做高温热障涂层材料;烧绿石结构的La Zr O 、 Nd2Zr2 O7和Gd2 Zr2 O 7有2 000℃以上的熔点,热导 率也比YSZ低。La。Zr O 有比YSZ小的热膨胀系 数,但由于其更低的弹性模量可作为补偿;Nd。Zr。O 和Gd Zr O 也是烧绿石结构,热膨胀系数与YSZ在 差不多的范围ll ,但高温时铕锆酸盐有部分氧化转 变。LaMgA1 O 。为磁铁铅矿结构,也有高的相稳定 涂层的高温氧化和热腐蚀严重降低燃气轮机叶片寿 *基金项目:国家重点基础研究发展计划(973计划)重点资助项目(2O13CBO357O0) 收到初稿日期:2013-03—12 收到修改稿日期:2013—08—06 通讯作者:王亚平 作者简介:王青(1989一),男,云南昭通人,在读硕士,师承王亚平教授,从事复合材料传热性能研究。 王青等:热障涂层隔热性能研究进展 thermal barrier coatings for gas turbine applications—ma— ealr Spray Technology,2010,19(6):1186—11943367 coatings from nanostructured YSZ[J].Journal of Ther— . L11j Gadow R,Lischka M.Lanthanum hexaaluminate—novel terials and process development[J ̄.Surface and Coatings Technology,2002,151-152:392-399. [25]Wang Kai,Peng Hui,Guo Hongbo.Effect of sintering on thermal conductivity and thermal barrier effects of [12]华佳捷,张丽鹏,刘紫微,等.热障涂层失效机理研究进展EJ].无机材料学报,2012,27(7):680—686.thermal barrier coatings[J].Chinese Journal of Aeronau一 ties,2012,25:811—816. [13]史国栋,陈贵清,梁 军,等.热障涂层热导率的研究进 展[J].材料导报,2006,20(1O):44—47.[14]Clarke D R,Phillpot S R.Thermal barrier coatings ma— teAMs[J].Materialstoday,2005,8(6):22—29. [151刘占国,欧阳家虎,夏校良,等.新型稀土锆酸盐材料研 究进展[J].中国材料进展,2011,30(1):32—40.[16]Xiang Jianying,Chen Shuhai,Huang Jihua,et a1.Phase structure and thermophysical properties of co—doped [262 Wang L,Wang Y,Sun X.G,et a1.Influence of pores on the thermal insulation behavior of thermal barrier coat一 ings prepared by atmospheric plasma spray[J].Materials and Design,2011,32:36—47. [27]Limarga A M,Shian S,Baram M,et a1.Effect of high一 temperature aging on the thermal conductivitv of nano一 crystalline tetragonal yttria-stabilized zirconia[J].Acta Materialia,2012,60:5417—5424. La2Zr207 ceramics for thermal barrier coatings[J].Ce一 ramies International,2012,38:3607—3612. [282 Shen wei,Wang Fuchi,Fan Qunbo,et a1.Effects of de— fects on the effective thermal conductivity of thermal [172 Zhou Hongming,Yi Danqing.Effect of rare earth doping on thermo~physical properties of lanthanum zirconate ee barrier coatings[J].Applied Mathematical Modelling, 2012,36:1995—2002. ramic for thermal barrier coatings[J].Journal of Rare Earths,2008,26(6):770—774. [29]Wang L,Wang Y,Sun X G,et a1.A novel structure de— sign towards extremely low thermal conductivity for L18J Matsumoto M,Aoyama K,Matsubara H,et a1.Ther—thermal barrier coatings—experimental and mathematical ealr conductivity and phase stability of plasma sprayed ZrO2一Y203一La2O。coatings[J].Surface&Coatings Technology,2005,194:31—35. [19]VaBen R,Jarligo M O,Steinke T,et a1.Overview on study[J].Materials and Design,2012,35:505—517. [3O]张红松,耿国强,杜可可,等.热喷涂及电子束物理气相 沉积技术在热障涂层制备中的应用[J].材料导报, 2009,23(7):98—101. advanced thermal barrier coatings[J].Surface&Coat一 ings Technology,2010,205:938—942. [31]Liu H,Jazi Salimi H R,Bussmann M,et a1.Experi— ments and modeling of rapid sotidiication of plfasma— L2OJ Ramachandran C S,Balasubramanian V,Ananthapad— manabhan P V,et a1.Influence of the intermixed interfa一 sprayed yttria-stabilized zirconia r J].Acta Materialia, 2009,57:6013—6021. cial layers on the thermal cycling behaviour of atmos一 pheric plasma sprayed lanthanum zirconate based c6at— [32]Tan Yang,Srinivasan V,Toshio N,et a1.Optimizing compliance and thermal conductivity of plasma sprayed ings[J].Ceramics International,2012,38:4081-4096.L21 Chen Xiaolong,Gu Lijian,Zou Binglin,et a1.New func— tionally graded thermal barrier coating system based on thermal barrier coatings via controlled powders and pro— cessing strategies[J].Journal of Thermal Spray Tech— nology,2012,21(5):950—962. LaMgAIn Ol9/YSZ prepared by air plasma spraying[J]. Surface&Coatings Technology,201 2,206:2265—2274。 E33]Mei Xianxiu,Liu Xiaofei,Wang Cunxia,et a1.Improving oxidation resistance and thermal insulation of thermal barfier L22J Ren C,He Y D,Wang D R.Fabrication and characteris— tics of YSZ—YSZ/A12 O3 double—layer TBC[J].Oxid Met,2011,75:325—335. coatings by intense pulsed electron beam irradiation[J].Ap— plied Surface Science,2012,263:810—815. [342 Saini A K,Das D,Pathak M K.Thermal barrier coat一 [23]柯培玲,武颖娜,王启民,等.爆炸喷涂空心球形氧化锆 热障涂层的抗热冲击性能[J].金属学报,2004,40(11):1179. ings—appilications,stability,and longevity aspects[J]. Procedia Engineering,2012,38:3173—3179. [35] 韩志海,王海军,白 宇,等.超音速等离子喷涂制备 L24J Wu Jing,Guo Hongbo,Zhou Le,et a1.Microstructure and thermal properties of plasma sprayed thermal barrier 细密柱晶结构热障涂层研究进展[J].热喷涂技术, 2011,3(2):1—14. Progress 0n heat insulation performance 0f thermal barrier coatings WANG Qing,WANG Ya—ping,DING Bing—j un (MOE Key Laboratory for Nonequilibrium Synthesis and Modulation of Condensed Matter. School of Science,Xi’an Jiaotong University。Xi’an 7 1 0049。China) Abstract:Thermal barrier coatings(TBCs)was one of the important materials of turbines for propulsion and power generation with excellent thermal insulation properties and high—temperature oxidation resistanceThe e— .valuation of thermal insulation performance of thermal barrier coatings has been an important indicator of good or bad performance.In this paper,research status and the latest progress about heat insulation performanee were reviewed from the points of ceramic materials,preparing technology,microstructure of TBCsFinally,the di— .rection of research and development tendency of TBCs was presented. Key words:thermal barrier coating;heat insulation performance;thermal conductivity:research status 

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