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王青等:热暲涂层隔热性能研究进展
文章编号:1001-9731(2013)23-3363-05
热障涂层隔热性能硏究进展
王青,王亚平,丁秉钓
(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命。高温相变和烧结导致涂层失效5?,已难以满足涡
高温氧化性能,是航空发动机和燃气轮机高温部件的轮进口温度进一步提高的需要。
关键材料。隔热性能是热障涂层研究的关键点,从热
为了再提高燃气轮机的效率,人们依旧在寻找隔
障涂层的材料、制备エ艺、涂层组织结构方面综述了其热性能更好的热障涂层材料。良好热障涂层一些重要
隔热性能的研究现状和最新进展,展望了热障涂层的性能要求是:低热导率、高的热膨胀系数、高熔点、好的
发展方向。
相稳定性、低的烧结率和低的弹性模量?。隔热性能
关键词:热障涂层;隔热性能;热导率;研究现状
一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.isn.1001-9731.2013.23.001
备与涂层后处理工艺、新型的组织与结构设计等。
引言
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
随着航空发动机、燃饩轮机向着高流量比、高推重均自由程主要由声子间碰撞引起的散射和声子与品体
比、高进口温度方向发展,且燃气轮机叶片面临着苛刻的界面和各种杂质、缺陷的作用引起的散射所决定。
的服役环境,对燃气轮机叶片性能要求越来越严格。目前的主要研究除寻找好的材料外主要目的都集中于
为了使燃气轮机适应这一恶劣的工作环境,降低热端降低声子平均自由程与辐射,表现为降低材料热导率。
部件的工作温度,防止部件的高温腐蚀,提高燃气轮机 David R. larke_]综合涂层各种因素推导出在选择低
功率,减少燃油消耗,热障涂层(TBCs)受到广泛的研热导率热障涂层材料时如果满足e"°E2/(M/m)2/
究2。当今航空上使用的燃气涡轮机叶片的工作温取得最小值,p为密度,E是弹性模量,M是分子质量
度已经从20世纪70年代的960~1100C发展到目是一个分子中所含的原子数,也就是当材料满足大
前的1500~1700C。到日前为止,最先进的陶瓷的分子量,复杂的晶体结构,无方向性的键合,每个分
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
300C4。传统的热障涂层一般由金属粘结层低的热导率。
( MCRALY(M为Ni、Co或Ni与Co)和陶瓷层(Y2O)3
部分稳定的ZrO2陶瓷层(YSZの)构成,6%~8%(质量
2热障涂层材料的研究
分数)YSZ具有良好的性能,已被普遍用于各类燃气轮2.1陶瓷层化合物
机的叶片上。由于YSZ热障涂层的长期使用温度为
目前的研究中,主要方向包括烧绿石结构、钙钛矿
1200℃,超过1200℃后,YSZ发生T'T→C的相结构、磁铁铅矿结构等复杂结构晶型。典型的研究中,
变和烧结,使得陶瓷层氧传导率高,过渡金属易被氧化钙钛矿结构的 Bazro3热导率过大,达到3.4W/(m
使涂层脱离;另一方面,航空燃气涡轮发动机使用的燃K)(1000C),比YSZ(约2.2W/(m?K)高许多,且
料中含Na和S等杂质,以Na2SO1形式沉积在高温部高温下其热循环与化学稳定性,比YSZ差。而
件上,因此热障凃层经常会遇到Na2SO4的腐蚀问题。 Srzro。在730℃左右产生相变,因此这两种不适合
尽管ZrO2的抗硫化能力较好,但稳定组元Y2O3在上做高温热障涂层材料;烧绿石结构的La2ZraO2、
述气氛中易受腐蚀,而从ZrO2中析出,导致ZrO2由Nd2Zr2O1和Gd2Zr2O2有2000℃以上的熔点,热导
T和C相转变为M相,引起涂层的失效。无论是涂层率也比YSZ低。La2Zr2O有比YSZ小的热膨胀系
的相変还是内部出现热生长氧化物,这些都会产生内数,但由于其更低的弹性模量可作为补偿;Nd2Zr2O
部应力从而使涂层萌生裂纹,裂纹长大及扩展导致涂和Gd2ZraO1也是烧绿石结构,热膨胀系数与YSZ在
层失效。其失效行为主要表现在涂层与基体的剥落。差不多的范围?,但高温时销锆酸盐有部分氧化转
涂层的高温氧化和热腐蚀严重降低燃气轮机叶片寿变。 LAMGAL1O)9为磁铁铅矿结构,也有高的相稳定
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(2013CB035700)
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-),男,云南昭通人,在读硕土,师承王亚平教授,从事复合材料传热性能研究