劉嘉航，呂哲，周艷文，黃士罡，陳浩，徐能

熱障涂層先進(jìn)陶瓷材料研究進(jìn)展

劉嘉航，呂哲，周艷文，黃士罡，陳浩，徐能

（遼寧科技大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，遼寧 鞍山 114051）

隨著航空航天技術(shù)的不斷發(fā)展，惡劣的工作環(huán)境對(duì)鎳基高溫合金的使用性能提出了更高的要求，熱障涂層是一種應(yīng)用于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件的表面技術(shù)，通過(guò)沉積在鎳基高溫合金表面以降低基底表面溫度。概述了傳統(tǒng)氧化釔部分穩(wěn)定氧化鋯熱障涂層的性能優(yōu)勢(shì)，包括優(yōu)異的隔熱性能、較高的熱膨脹系數(shù)與斷裂韌性。同時(shí)歸納了氧化釔部分穩(wěn)定氧化鋯熱障涂層在高溫環(huán)境下存在的問(wèn)題，包括氧化鋯相變與涂層燒結(jié)造成的過(guò)早失效。在此基礎(chǔ)上，重點(diǎn)綜述了近年來(lái)熱障涂層先進(jìn)陶瓷材料的研究進(jìn)展，包括稀土陶瓷材料與自愈合材料，其中稀土陶瓷材料包括稀土摻雜氧化鋯、成分摻雜與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的稀土鋯酸鹽、稀土磷酸鹽、3種不同結(jié)構(gòu)的稀土鉭酸鹽、高熵稀土陶瓷材料以及稀土鈮酸鹽等，自愈合材料包括二硅化鉬與碳化鈦。針對(duì)各種熱障涂層陶瓷材料，分別從熱震壽命、熱膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率、耐腐蝕性、斷裂韌性等方面進(jìn)行了歸納，并總結(jié)了各材料現(xiàn)階段發(fā)展的不足之處。最后展望了熱障涂層材料的發(fā)展方向。

熱障涂層；陶瓷材料；微觀結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；使用性能；研究進(jìn)展

隨著航空航天技術(shù)的不斷進(jìn)步，航空發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始向更高推重比、更高燃料使用效率以及更長(zhǎng)使用壽命的方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)此目的則需要不斷提高渦輪前進(jìn)口溫度[1-2]。以渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片為例，為了能保證葉片在高溫環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作，采用能耐1 000 ℃以上高溫的鎳基高溫合金作為發(fā)動(dòng)機(jī)葉片使用材料，由于先進(jìn)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)口溫度高達(dá)2 200 K，因此只通過(guò)在葉片內(nèi)部開(kāi)設(shè)導(dǎo)氣通道已不能將其表面溫度降低到極限使用溫度以下[3]，并且受鎳基高溫合金熔點(diǎn)限制，渦輪前進(jìn)氣溫度的提高越來(lái)越困難，這制約了發(fā)動(dòng)機(jī)推力和燃料熱效率的提高。為解決以上問(wèn)題，美國(guó)國(guó)家航空航天局于20世紀(jì)50年代提出了熱障涂層（Thermal Barrier Coatings，TBCs）概念[4]。

熱障涂層是一種復(fù)雜的多層涂層，可以起到隔熱的效果并能夠降低發(fā)動(dòng)機(jī)葉片零件的表面溫度，傳統(tǒng)的熱障涂層體系通常包括4個(gè)部分：鎳基高溫合金基材、金屬黏結(jié)層（Bond Coat，BC）、頂部陶瓷層（Top Coat，TC）以及在高溫環(huán)境中生長(zhǎng)的熱生長(zhǎng)氧化物層（Thermal Grown Oxide，TGO）。隨著涂層制備技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了單層陶瓷層結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖1a）、多層陶瓷層結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖1b）以及梯度陶瓷層結(jié)構(gòu)涂層（見(jiàn)圖1c），涂層中每部分都具有高的力學(xué)和熱性能，其中黏結(jié)層作為頂部陶瓷層與高溫合金基底的中間層，不僅能提高基底材料與頂部面漆之間的結(jié)合能力，還能保護(hù)基底不被氧化；頂部陶瓷層起到隔熱以及防腐蝕的作用，傳統(tǒng)的釔穩(wěn)定氧化鋯最高可以提供170 ℃的降溫效果[5-6]。由于所處環(huán)境惡劣，因此需要頂層材料具有高抗熱震性、微觀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、耐腐蝕性以及化學(xué)相容性等[7-8]。目前氧化釔部分穩(wěn)定氧化鋯因其優(yōu)異的隔熱性能、較高的熱膨脹系數(shù)與斷裂韌性，成為使用最為廣泛的熱障涂層頂層材料，但隨著推重比的增加、熱端部件表面溫度的不斷升高，氧化鋯會(huì)發(fā)生t'→m相變以及燒結(jié)，相變與燒結(jié)伴隨的體積變化會(huì)使涂層過(guò)早失效。

現(xiàn)行投入使用的熱障涂層材料因其較低的隔熱效果、較差的熱力學(xué)性能、較低的耐腐蝕性能等無(wú)法直接應(yīng)用到更高溫度環(huán)境中，因此迫切需要開(kāi)發(fā)出具有更耐高溫、更耐腐蝕、更低熱導(dǎo)率、更優(yōu)異熱力學(xué)性能的陶瓷材料[9-10]。目前較多關(guān)于新型熱障涂層陶瓷材料的研究集中在稀土陶瓷材料與自愈合材料，這些材料具有優(yōu)異的隔熱性能，可以為金屬基材提供充足的溫降效果，并且所具備的優(yōu)異的相穩(wěn)定性避免了在高溫環(huán)境下因相變導(dǎo)致的體積膨脹，但這些材料自身較低的熱膨脹系數(shù)與較差的斷裂韌性使它們不能作為頂部陶瓷層直接制備在黏結(jié)層表面，如何優(yōu)化陶瓷材料性能成為了現(xiàn)階段迫切需要解決的問(wèn)題。目前與陶瓷材料性能優(yōu)化相關(guān)的研究主要集中在成分摻雜方向。文中綜述了近年來(lái)熱障涂層陶瓷材料在成分摻雜方向的研究及應(yīng)用進(jìn)展，并討論了未來(lái)熱障涂層陶瓷材料的發(fā)展方向。

圖1 熱障涂層結(jié)構(gòu)

1 稀土摻雜氧化鋯

為改變氧化鋯發(fā)生t'→m相變的溫度范圍，開(kāi)始使用Y2O3作為穩(wěn)定劑以抑制相變的發(fā)生。當(dāng)Y2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于22%時(shí)，氧化鋯在室溫環(huán)境下將被完全穩(wěn)定為立方相，稱為氧化釔完全穩(wěn)定氧化鋯；當(dāng)Y2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于22%時(shí)，氧化鋯會(huì)因穩(wěn)定劑含量不同而被穩(wěn)定為四方相（8%～22%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)）或亞穩(wěn)態(tài)四方相（6%～8%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)），稱為氧化釔部分穩(wěn)定氧化鋯，其中Y2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%～8%的穩(wěn)定ZrO2（記為6～8YSZ）是現(xiàn)階段使用最為廣泛的材料。亞穩(wěn)態(tài)四方相的6～8YSZ擁有良好的斷裂韌性（1.85～ 2.23 MPa·m1/2）、優(yōu)異的隔熱性能（2.1 W·m–1·K–1）、與金屬黏結(jié)層較為相近的熱膨脹系數(shù)（10.5×10–6～ 11.5×10–6K–1）以及良好的抗腐蝕性等[11-13]。張晶晶等[14]采用APS（Air Plasma Spraying，APS）方法在鎳基高溫合金表面制備了YSZ（Yttria–Stabilized Zirconia，YSZ）頂層，制備態(tài)涂層在900 ℃高溫氧化100 h后仍未發(fā)生相變，涂層保持為亞穩(wěn)態(tài)四方相和立方相。為判斷制備態(tài)YSZ涂層頂部陶瓷層厚度對(duì)涂層熱震性能的影響，趙荻等[15]使用APS方法在Inconel 718高溫合金基體上制備了3種8YSZ頂層厚度的熱障涂層系統(tǒng)，并分析了3種涂層在1 000 ℃環(huán)境下的熱震壽命，發(fā)現(xiàn)厚度為500 μm、1.0 mm、1.5 mm的涂層壽命分別為52、11、5次，表明隨著厚度的增加，8YSZ涂層的熱震性能降低，這是由于隨著頂部陶瓷層厚度的增加，涂層的沉積時(shí)間也會(huì)相應(yīng)增加，較厚的涂層在沉積過(guò)程中將會(huì)積累更多的殘余應(yīng)力，并且在制備態(tài)涂層中也會(huì)存在更多的微裂紋以及孔隙，在熱震試驗(yàn)過(guò)程中殘余應(yīng)力通過(guò)擴(kuò)展裂紋釋放，使厚涂層更容易發(fā)生裂紋的連接，并最終使涂層脫落。

雖然YSZ具有優(yōu)異的熱物理性能，在熱障涂層中得到了廣泛應(yīng)用，但當(dāng)溫度高于1 200 ℃時(shí)，t'相氧化鋯會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)閙相并伴隨體積膨脹，涂層中出現(xiàn)較大的內(nèi)應(yīng)力并產(chǎn)生裂紋，為氧氣與熔融腐蝕物的滲透提供通道，加快了涂層內(nèi)部的腐蝕，降低了涂層的使用壽命。另外，在高溫環(huán)境下YSZ的燒結(jié)速率會(huì)提高，YSZ的燒結(jié)會(huì)降低涂層孔隙率，在減弱聲子散射的同時(shí)降低涂層的隔熱性能，并且燒結(jié)會(huì)使涂層的彈性模量增加，降低裂紋穩(wěn)定性，加速裂紋的擴(kuò)展[16-17]。

YGYZ是指以Yb2O3、Gd2O3為穩(wěn)定劑摻雜的YSZ，作為YSZ的替補(bǔ)材料之一，YGYZ擁有比YSZ更優(yōu)良的抗氧化性、更優(yōu)異的抗燒結(jié)性、更高的耐腐蝕性、更優(yōu)異的高溫相穩(wěn)定性以及更低的熱導(dǎo)率，在高溫環(huán)境下，YGYZ的熱導(dǎo)率僅為1.24 W/(m·K)，遠(yuǎn)低于YSZ。Song等[18]分析了APS制備的YGYZ涂層在1 100 ℃下的Na2SO4+V2O5腐蝕行為，結(jié)果表明，YGYZ涂層具有很好的耐腐蝕性與相穩(wěn)定性，在腐蝕20 h后涂層仍保留較高的四方相，并且降解的涂層比YSZ少40%。但YGYZ的熱膨脹系數(shù)較低，僅為9×10–6～10×10–6K–1，而鎳基黏結(jié)層的熱膨脹系數(shù)為15.0×10–6K–1，較大的熱膨脹系數(shù)差異使YGYZ無(wú)法直接作為頂部陶瓷層制備在黏結(jié)層上，并且其斷裂韌性很低，僅為0.95～1.25 MPa·m1/2，這導(dǎo)致涂層在高溫工作環(huán)境中易出現(xiàn)裂紋。為提高YGYZ作為頂部陶瓷層材料的可行性，Jung等[19]在鎳基黏結(jié)層與頂部YGYZ陶瓷層之間制備了高純度YSZ緩沖層，以減少熱膨脹差異、緩解失配應(yīng)力，結(jié)果表明，帶有高純度YSZ緩沖層的YGYZ涂層在噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中可達(dá)2 000次循環(huán)（見(jiàn)圖2c），遠(yuǎn)高于無(wú)緩沖層涂層的350～678次循環(huán)（見(jiàn)圖2a），高于帶有常規(guī)純度YSZ緩沖層的1 127～1 130次循環(huán)（見(jiàn)圖2b）。

ScYSZ是指以Sc2O3作為穩(wěn)定劑摻雜的YSZ。由于Sc的離子半徑很小，摻雜在氧化鋯中并不會(huì)引起很大的晶格畸變，因此研究人員決定通過(guò)改變Sc2O3摻雜含量，以改變ScYSZ涂層的使用性能。Liu等[20]分析了Sc2O3物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為8.0%的ScYSZ涂層在1 500 ℃下熱處理10 h后的相組成，結(jié)果表明，熱處理后的ScYSZ涂層仍為單一的不可轉(zhuǎn)變四方相，而相同條件下YSZ涂層中單斜相的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)達(dá)到49.4%，優(yōu)異的高溫相穩(wěn)定性使它能夠應(yīng)用于更高溫度環(huán)境中。Fan等[21]研究了Sc2O3物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為7%時(shí)ScYSZ涂層在1 300 ℃下的熱震壽命，雖然Sc元素的摻雜使其斷裂韌性略有降低〔（4.3±0.3） MPa·m1/2〕，但良好的t'相穩(wěn)定性和較高的綜合性能，使它仍擁有極高的熱循環(huán)壽命，達(dá)到Y(jié)SZ涂層的2.6倍。

圖2 噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)后橫截面微觀結(jié)構(gòu)[19]

至今已有很多關(guān)于稀土元素?fù)诫s氧化鋯或YSZ的報(bào)道，但對(duì)稀土元素的摻雜機(jī)理、摻雜含量對(duì)涂層性能的影響以及不同制備方式對(duì)摻雜粉末的影響仍鮮有報(bào)道。隨著粉末向納米尺寸發(fā)展，納米結(jié)構(gòu)摻雜涂層的性能研究是重要的研究方向之一。

2 稀土鋯酸鹽

稀土鋯酸鹽的化學(xué)式為2Zr2O7，具有2種晶體結(jié)構(gòu)：當(dāng)為L(zhǎng)a、Nd等輕稀土元素時(shí)，為燒綠石結(jié)構(gòu)（Pyrochlore，P）；當(dāng)為T(mén)b、Dy等重稀土元素時(shí)，為缺陷型螢石結(jié)構(gòu)（Fluorite，F(xiàn)）[22]。圖3[23]為2種晶體結(jié)構(gòu)稀土鋯酸鹽的陰陽(yáng)離子排布圖，2種結(jié)構(gòu)中的氧空位可以提高聲子的散射，降低聲子的平均自由程，提高隔熱能力。在稀土鋯酸鹽中選擇性地?fù)诫s其他元素可以提高氧空位以及缺陷的濃度，對(duì)聲子的散射作用更強(qiáng)，使涂層熱導(dǎo)率降低到1.0 W/(m·K)以下[24]。此外，稀土鋯酸鹽具有良好的高溫相穩(wěn)定性、耐腐蝕、抗燒結(jié)、低氧透過(guò)率等優(yōu)良的特性，是熱障涂層中最具應(yīng)用前景的材料。

鋯酸鑭（La2Zr2O7，LZO）是使用最廣泛的稀土鋯酸鹽熱障涂層材料，具有良好的抗燒結(jié)能力以及高溫穩(wěn)定性，在2 000 ℃下仍能保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，并且LZO具有較低的熱導(dǎo)率。Bobzin等[25]分析了在1 000～ 1 300 ℃環(huán)境下LZO與8YSZ的熱導(dǎo)率，結(jié)果表明，LZO的熱導(dǎo)率會(huì)隨著環(huán)境溫度的升高發(fā)生一定的波動(dòng)，但仍小于8YSZ的熱導(dǎo)率。雖然LZO擁有優(yōu)異的高溫性能，但相對(duì)較低的熱膨脹系數(shù)以及較差的斷裂韌性，使它無(wú)法作為頂部陶瓷層直接制備在黏結(jié)層上。為提高它作為頂部陶瓷層材料的可行性以及在高溫環(huán)境下的使用壽命，研究人員通過(guò)成分摻雜以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2個(gè)方面對(duì)LZO熱障涂層進(jìn)行優(yōu)化。

在成分摻雜方面，Jin等[26]分別使用YSZ纖維與多壁碳納米管摻雜LZO，圖4為2種摻雜粉末的圖像，摻雜后的YSZ纖維獨(dú)立存在于球狀顆粒外部，而多壁碳納米管附著于顆粒表面。在制備態(tài)涂層中，YSZ纖維的兩端嵌入到熔融粉末當(dāng)中，在進(jìn)行拉伸試驗(yàn)時(shí)，纖維的存在抵抗了外力的作用，提高了涂層的結(jié)合強(qiáng)度，結(jié)果表明，摻雜YSZ纖維涂層的結(jié)合強(qiáng)度提高到（27.62±1.5）MPa，為未摻雜涂層結(jié)合強(qiáng)度的1.84倍，1 000 ℃下的熱沖擊壽命也因此提高了34%，達(dá)到了160次。而對(duì)于摻雜多壁碳納米管的涂層，其結(jié)合強(qiáng)度并未大幅度提高，僅為未摻雜涂層的1.80倍，但多壁碳納米管自身優(yōu)異的導(dǎo)熱效果提高了涂層制備過(guò)程中等離子體火焰的熱傳導(dǎo)性能，優(yōu)化了粉末的熔融狀態(tài)，減少了制備態(tài)涂層中的微裂紋、孔隙以及未熔融粉末，提高了涂層的斷裂韌性，使它在1 000℃下的熱沖擊壽命達(dá)到218次。雖然摻雜后的2種粉末涂層具有優(yōu)異的力學(xué)性能，但Jin等所做的試驗(yàn)是在低溫快熱快冷環(huán)境下進(jìn)行的，在這種環(huán)境下，氧化鋯不會(huì)發(fā)生相變，類似于在等離子噴涂過(guò)程中，8YSZ粉末雖然會(huì)在高溫等離子火焰中熔融，但極短的加熱時(shí)間并不會(huì)使其中的氧化鋯由t'相轉(zhuǎn)變?yōu)閙相，而實(shí)際熱障涂層的工作環(huán)境為長(zhǎng)時(shí)間高溫，因此實(shí)際工作環(huán)境下2種摻雜物對(duì)熱障涂層性能的影響仍需進(jìn)行討論。另外，YSZ纖維會(huì)限制粉末的流動(dòng)性，使制備態(tài)涂層為多孔結(jié)構(gòu)，雖然多孔結(jié)構(gòu)的涂層可以為聲子散射提供空間、提高涂層的隔熱性能，但孔隙與裂紋同樣也為氧氣與熔融腐蝕物提供了滲透通道，關(guān)于YSZ纖維摻雜涂層的TGO生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)以及腐蝕機(jī)理仍需進(jìn)行分析。

圖3 燒綠石結(jié)構(gòu)與螢石結(jié)構(gòu)陰陽(yáng)離子排布圖[23]

圖4 YSZ纖維/多壁碳納米管摻雜La2Zr2O7粉末圖像[26]

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，研究人員設(shè)計(jì)了雙陶瓷層熱障涂層體系以提高鋯酸鑭的使用效果，Wang等[27]使用有限元模擬法，分析了相同厚度的LZO–YSZ多層涂層與單層LZO涂層在高溫使用環(huán)境中的殘余應(yīng)力，結(jié)果表明雙陶瓷層熱障涂層體系的殘余應(yīng)力更低，并且擁有更好的抗燒結(jié)能力，但在Wang等的研究中，并未闡述涂層厚度比對(duì)LZO–YSZ雙層涂層的影響。Bobzin等[28]制備了總厚度相同，但LZO/YSZ厚度（）比例不同（LZO/YSZ=3或0.3）的熱障涂層系統(tǒng)，并在1 150 ℃的環(huán)境下進(jìn)行了熱震試驗(yàn)以測(cè)試不同厚度比例下涂層的性能，結(jié)果表明，在1 150 ℃環(huán)境下，LZO/YSZ=0.3的涂層壽命達(dá)到267次，而LZO/YSZ=3的涂層在循環(huán)3次以后就發(fā)生大面積脫落。增加YSZ中間層厚度可以從2個(gè)方面優(yōu)化LZO–YSZ雙層涂層的使用效果：一方面是YSZ較高的熱膨脹系數(shù)緩解了LZO頂層與黏結(jié)層之間的熱膨脹差異，減少了熱膨脹失配應(yīng)力；另一方面是YSZ厚度的增加降低了頂層裂紋擴(kuò)展的能量釋放率，降低了裂紋增長(zhǎng)的驅(qū)動(dòng)力。

雖然LZO性能優(yōu)異，并可以通過(guò)材料摻雜、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面對(duì)涂層性能進(jìn)行優(yōu)化，但在使用等離子噴涂制備LZO涂層的過(guò)程中，會(huì)有14%的La2O3揮發(fā)[29]。為簡(jiǎn)化LZO粉末的制備過(guò)程，通常是將La2O3、ZrO2按照1︰2的物質(zhì)的量比進(jìn)行均勻混合，并將噴霧干燥后的粉末直接用于等離子噴涂，此過(guò)程未對(duì)揮發(fā)的La2O3進(jìn)行額外補(bǔ)充，導(dǎo)致制備態(tài)涂層中會(huì)有少量的ZrO2以單斜相的形式存在。為補(bǔ)充揮發(fā)的La2O3粉末，研究人員將La/Zr物質(zhì)的量比值提高到1.05。額外補(bǔ)充的La2O3對(duì)涂層組成以及使用性能的影響仍不明確，如何調(diào)整粉末組成以制備出具有標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)計(jì)量比的LZO涂層仍是其發(fā)展難點(diǎn)。此外，在等離子噴涂過(guò)程中，火焰與基體之間具有較大的溫度差異，高溫熔融粉末在碰撞到基體以后會(huì)迅速冷卻，使LZO發(fā)生不完全的F到P結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，如何調(diào)整涂層制備方式使制備態(tài)涂層完全為P結(jié)構(gòu)也是LZO涂層的發(fā)展方向之一。

3 稀土磷酸鹽

稀土磷酸鹽（PO4）根據(jù)稀土元素離子半徑的不同分為2種結(jié)構(gòu)：當(dāng)為57～64號(hào)稀土元素時(shí)，稀土磷酸鹽中的陽(yáng)離子半徑較大，為獨(dú)居石結(jié)構(gòu)；當(dāng)為65～71號(hào)稀土元素時(shí)，陽(yáng)離子半徑較小，為磷釔礦結(jié)構(gòu)。磷釔礦結(jié)構(gòu)的稀土磷酸鹽熱導(dǎo)率較高，熱膨脹系數(shù)較低，不適合作為熱障涂層的頂層材料，而獨(dú)居石結(jié)構(gòu)的材料因其較大的熱膨脹系數(shù)以及較低的熱導(dǎo)率，被認(rèn)為是具有優(yōu)秀價(jià)值的熱障涂層頂層材料[30]。

磷酸鑭是獨(dú)居石結(jié)構(gòu)稀土磷酸鹽中研究與應(yīng)用較為廣泛的材料，具有較高的熔點(diǎn)（2 070 ℃）、較低的熱導(dǎo)率、優(yōu)異的高溫相穩(wěn)定性以及良好的高溫抗硫和釩腐蝕性能，被作為頂層材料應(yīng)用于熱障涂層中[31]。如果直接將磷酸鑭頂層制備在黏結(jié)層上，與黏結(jié)層之間較弱的結(jié)合力會(huì)使它在高溫環(huán)境下迅速脫落，因此需要對(duì)磷酸鑭涂層進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以提高其高溫使用性能。Zhang等[32]使用大氣等離子噴涂方法制備了LaPO4–YSZ雙層涂層，并分析了雙層涂層的失效機(jī)理，結(jié)果表明，磷酸鑭頂層內(nèi)部出現(xiàn)的裂紋導(dǎo)致了涂層脫落，而層與層之間良好的結(jié)合效果說(shuō)明雙層結(jié)構(gòu)涂層可以改善磷酸鑭涂層與黏結(jié)層之間低結(jié)合力的缺點(diǎn)。另外，分析了雙層涂層在不同溫度V2O5腐蝕環(huán)境下的腐蝕產(chǎn)物，在700～900 ℃時(shí)腐蝕產(chǎn)物為L(zhǎng)a(P,V)O4，在1 000 ℃時(shí)腐蝕產(chǎn)物中出現(xiàn)了少量的LaVO4，由于La(P,V)O4不會(huì)對(duì)涂層的微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響，說(shuō)明磷酸鑭作為熱障涂層頂層材料具有優(yōu)異的耐V2O5腐蝕性能。磷酸鑭不僅可以作為頂層陶瓷材料，還可以作為摻雜劑與鋯酸鑭進(jìn)行摻雜，摻雜后的復(fù)合材料熱導(dǎo)率明顯低于鋯酸鑭的，并且熱膨脹系數(shù)提高了10%[33]。雖然磷酸鑭具有很好的性能，可以作為涂層的候選材料，但是它對(duì)材料的化學(xué)計(jì)量比要求極高，其熔點(diǎn)會(huì)因?yàn)槠浠瘜W(xué)組成的偏移而大幅下降，這限制了它在實(shí)際高溫工作環(huán)境下的應(yīng)用。

4 稀土鈰酸鹽

螢石結(jié)構(gòu)的稀土鈰酸鹽可以理解為稀土氧化物溶解于CeO2晶格中生成的固溶體。CeO2本身就具有很低的熱導(dǎo)率，并且螢石結(jié)構(gòu)中存在的大量氧空位可以優(yōu)化稀土鈰酸鹽的隔熱性能[34]，此外Ce4+較大的離子半徑以及Ce—O之間較弱的鍵能使其具有較大的高溫?zé)崤蛎浵禂?shù)，這些優(yōu)異的熱物理性能使它成為熱障涂層的候選材料之一。俞顯芳等[35]通過(guò)固相反應(yīng)法制備了Dy2Ce2O7和Y2Ce2O7等2種稀土鈰酸鹽，并測(cè)量了2種稀土鈰酸鹽涂層在800 ℃環(huán)境下的熱導(dǎo)率，結(jié)果表明，2種材料的熱導(dǎo)率遠(yuǎn)低于同溫度條件下的8YSZ的熱導(dǎo)率（2.15 W·m–1·K–1），分別為1.78 W/(m·K)和1.82 W/(m·K)。

在稀土鈰酸鹽中摻雜一種或多種稀土元素，可以改善涂層的使用性能、降低熱導(dǎo)率并提高熱膨脹系數(shù)。邵鳳翔等[36]以Nd和La元素作為摻雜劑摻雜在Sm2Ce2O7中，制備了具有純凈螢石結(jié)構(gòu)的(Sm0.5La0.1Nd0.4)2Ce2O7涂層，在1 000 ℃環(huán)境下涂層熱導(dǎo)率為1.32～1.58 W/(m·K)，小于1 000 ℃下Sm2Ce2O7的熱導(dǎo)率（1.69 W·m–1·K–1），摻雜后熱膨脹系數(shù)提高了2×10–6～3×10–6K–1。根據(jù)聲子導(dǎo)熱機(jī)理，用于摻雜的稀土元素離子半徑和相對(duì)原子質(zhì)量與基體中稀土元素的相差很大，這會(huì)增加稀土鈰酸鹽晶胞中的缺陷，且額外的聲子散射空間降低了涂層的熱導(dǎo)率。

圖5 (Sm0.5LaxNd0.5-x)2Ce2O7陶瓷熱膨脹率（a）和熱膨脹系數(shù)（b）[36]

稀土鈰酸鹽具有優(yōu)異的隔熱性能、較高的熱膨脹系數(shù)，具有額定化學(xué)計(jì)量比的稀土鈰酸鑭涂層的制備是此材料應(yīng)用的一大難題。在等離子噴涂過(guò)程中，稀土鈰酸鑭中的CeO2會(huì)出現(xiàn)30%～40%的損失，導(dǎo)致涂層的沉積率降低，因此需要額外增加CeO2的含量以獲得具有標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)計(jì)量比的制備態(tài)稀土鈰酸鑭涂層，而細(xì)微的CeO2的成分偏移會(huì)對(duì)涂層的使用性能產(chǎn)生顯著影響，曹學(xué)強(qiáng)[37]對(duì)La2O3·3.0CeO2(LC3)、La2O3·3.25CeO2(LC3.25)與La2O3·3.5CeO2(LC3.5)等3種粉末摻雜比例的涂層進(jìn)行了熱循環(huán)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)成分偏移嚴(yán)重影響了稀土鈰酸鹽涂層的高溫壽命，在1 230 ℃環(huán)境下，LC3.25的壽命達(dá)到3 238次，而LC3與LC3.5的壽命分別為847與50次。

5 稀土鉭酸鹽

稀土鉭酸鹽主要包括3種組成結(jié)構(gòu)，分別為3TaO7、TaO4和Ta3O9。目前關(guān)于稀土鉭酸鹽的研究主要集中在材料結(jié)構(gòu)、發(fā)光性能、磁性、催化等方面，而對(duì)它在熱障涂層中的研究還比較少[38]。稀土鉭酸鹽具有極低的高溫?zé)釋?dǎo)率，與傳統(tǒng)熱障涂層材料不同的是，其熱導(dǎo)率并不隨工作溫度的升高而升高，在1 000 ℃時(shí)熱導(dǎo)率僅為1.1～1.3 W/(m·K)，在相同條件下能夠?qū)亟禂U(kuò)大到300～500 ℃。同時(shí)稀土鉭酸鹽制備態(tài)涂層的楊氏模量很低，它在高溫環(huán)境中積累的熱應(yīng)力遠(yuǎn)小于8YSZ的。稀土鉭酸鹽具有優(yōu)異的斷裂韌性，可以有效穩(wěn)定裂紋，阻止高溫工作環(huán)境中裂紋的擴(kuò)展與連接，提高涂層的使用壽命。

TaO4具有優(yōu)異的光學(xué)性能以及化學(xué)穩(wěn)定性，因此在光學(xué)性能方面關(guān)于TaO4的研究較多[39]，對(duì)此結(jié)構(gòu)在熱障涂層方向的研究較少。Limarge等[40]對(duì)塊體YTaO4的熱導(dǎo)率進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)其熱導(dǎo)率遠(yuǎn)低于YSZ的，并且YTaO4具有極低的溫度依賴性以及對(duì)相含量的低敏感性。YTaO4的熱導(dǎo)率對(duì)相含量低敏感性的原因有2點(diǎn)：一方面是晶相中廣泛的質(zhì)量無(wú)序降低了聲子的平均自由程；另一方面是晶粒與相界之間的熱阻相對(duì)較小，使相含量的變化并不會(huì)對(duì)熱導(dǎo)率產(chǎn)生較大影響。Lepple等[41]使用互補(bǔ)高溫分析法對(duì)YTaO4的相穩(wěn)定性與相變機(jī)理進(jìn)行了分析，確定了在室溫環(huán)境下穩(wěn)定存在的穩(wěn)定（M'）相以及亞穩(wěn)定（M）相，并通過(guò)差熱分析法測(cè)得了在1 430 ℃時(shí)M'相轉(zhuǎn)變?yōu)門(mén)相的焓為6.3～7.1 kJ/mol，并且隨著溫度的升高，高溫T相不會(huì)繼續(xù)發(fā)生轉(zhuǎn)變，而是均勻熔化，熔化焓為（164±15） kJ/mol。與8YSZ在1 200 ℃下所產(chǎn)生的相變不同的是，YTaO4在1 430 ℃的相變?yōu)槎A鐵彈性轉(zhuǎn)變，幾乎沒(méi)有體積變化，因此不會(huì)造成應(yīng)力的積累，避免了裂紋的擴(kuò)展與連接，使YTaO4涂層具有較長(zhǎng)的高溫使用壽命。

3TaO7包括2種晶體結(jié)構(gòu)：當(dāng)為離子半徑較小的稀土元素時(shí)，形成缺陷螢石結(jié)構(gòu)；當(dāng)為離子半徑較大的稀土元素時(shí)，形成燒綠石結(jié)構(gòu)。2種結(jié)構(gòu)的晶胞包括3個(gè)三價(jià)稀土離子和一個(gè)五價(jià)鉭離子，因此會(huì)額外多出一個(gè)氧空位[42]。氧空位的存在為聲子的散射提供了額外的空間，提高了頂部陶瓷層的隔熱性能。Wu等[43]使用大氣等離子噴涂方式制備了Al2O3摻雜的Gd3TaO7熱障涂層，并測(cè)得它在900 ℃時(shí)的熱導(dǎo)率為1.37～1.47 W/(m·K)，遠(yuǎn)低于7～8YSZ的2.5 W/(m·K)。并且摻雜后的涂層具有較高的熱膨脹系數(shù)，達(dá)到6×10–6～10×10–6K–1，低于YSZ的熱導(dǎo)率以及相近的熱膨脹系數(shù)使它成為熱障涂層中具有巨大應(yīng)用潛力的材料。

Ta3O9的晶格結(jié)構(gòu)為缺陷–鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，目前與此材料有關(guān)的研究主要集中在磁性方面，在熱障涂層方面的研究較少。文獻(xiàn)報(bào)道了Ta3O9（=Ce、Nd、Sm、Eu、Gd、Dy、Er）制備態(tài)涂層的性能，發(fā)現(xiàn)其熱導(dǎo)率在最低時(shí)可達(dá)到1.3 W/(m·K)，但是熱導(dǎo)率會(huì)隨溫度的升高大幅增加，在900 ℃時(shí)熱導(dǎo)率最高可達(dá)到2.4 W/(m·K)，不滿足熱障涂層對(duì)隔熱性能方面的使用要求，因此它在熱障涂層中的應(yīng)用受到了限制[38]。

6 高熵稀土陶瓷材料

高熵稀土陶瓷材料是指由5種或5種以上稀土元素以等物質(zhì)的量比或近等物質(zhì)的量比形成的多組元單相固溶體，因其獨(dú)特的“高熵效應(yīng)”及優(yōu)越的性能成為新一代熱障涂層材料的研究焦點(diǎn)[44]。高熵效應(yīng)包括熱力學(xué)的高熵效應(yīng)、結(jié)構(gòu)的晶格畸變效應(yīng)、動(dòng)力學(xué)的遲滯擴(kuò)散效應(yīng)以及組元的協(xié)同增效作用。2015年高熵氧化物陶瓷的概念被Rost等[45]提出，隨后Gild等[46]開(kāi)發(fā)了碳化物、硼化物、硅化物等多種高熵陶瓷。Zhou等[47]使用大氣等離子噴涂制備了(La0.2Nd0.2Sm0.2Eu0.2Gd0.2)2Zr2O7熱障涂層，該涂層具有較高的熱膨脹系數(shù)、較慢的擴(kuò)散速率以及較低的孔隙收縮率，1 100 ℃下的熱震壽命為L(zhǎng)ZO涂層的5倍，這是由于高熵涂層的遲滯擴(kuò)散效應(yīng)降低了涂層在高溫環(huán)境下的孔隙收縮率，使涂層在冷卻過(guò)程中不會(huì)因燒結(jié)而積累較多的應(yīng)力，減少了分層裂紋的形成。另外，由于陽(yáng)離子與氧空位的高熵?cái)U(kuò)散緩慢，高熵涂層在熱震試驗(yàn)中可以保持螢石結(jié)構(gòu)。朱嘉桐等[48]采用固相法制備了具有單斜結(jié)構(gòu)的(Nd1/6Sm1/6Eu1/6Gd1/6Dy1/6Ho1/6) TaO4陶瓷粉末，在1 200 ℃時(shí)其熱膨脹系數(shù)可達(dá)到9.25×10?6K?1，100～ 1 000 ℃下的熱導(dǎo)率為2.98～1.23 W/(m·K)。

綜合Zhou等和朱嘉桐等的研究，發(fā)現(xiàn)目前關(guān)于高熵稀土陶瓷材料的研究只局限于等物質(zhì)的量比稀土元素的摻雜、高熵涂層制備方式以及基本性能方面，對(duì)非等物質(zhì)的量之比的稀土摻雜涂層的性能仍很少報(bào)道，而且關(guān)于組元調(diào)節(jié)是否可以實(shí)現(xiàn)人為控制涂層熱物理性能的研究也很少出現(xiàn)。同時(shí)，關(guān)于高熵效應(yīng)在高溫腐蝕環(huán)境下的作用，以及高熵陶瓷微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與涂層性能之間的關(guān)系仍需確立。

7 稀土鈮酸鹽

稀土鈮酸鹽（3NbO7）具有2種晶體結(jié)構(gòu)：當(dāng)為L(zhǎng)a～Gd時(shí)，為燒綠石結(jié)構(gòu)；當(dāng)為鏑、镥和釔時(shí)，為缺陷型螢石結(jié)構(gòu)。2種結(jié)構(gòu)中氧空位的無(wú)序分布以及較大的化學(xué)不均一性使稀土鈮酸鹽具有較低的熱導(dǎo)率，并且熱導(dǎo)率與溫度的相關(guān)性較低，當(dāng)環(huán)境溫度為25～1 000 ℃時(shí)，涂層熱導(dǎo)率僅為1.18～1.26 W/(m·K)。近年來(lái)關(guān)于稀土鈮酸鹽熱障涂層的研究主要包括2個(gè)方面：一方面是引入稀土陽(yáng)離子以改善化合物的力學(xué)性能和熱性能；另一方面是關(guān)于非標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)計(jì)量比稀土鈮酸鹽的研究，通過(guò)改變稀土鈮酸鹽的元素組成以改變涂層性能。

在稀土陽(yáng)離子摻雜方向，Zhu等[49]通過(guò)固相反應(yīng)法制備出了(Dy0.2Ho0.2Er0.2Y0.2Yb0.2)3NbO7高熵稀土鈮酸鹽，并與單一稀土鈮酸鹽進(jìn)行比較，對(duì)比了隔熱性能以及2種材料制備態(tài)涂層的力學(xué)性能，結(jié)果表明，在高熵稀土鈮酸鹽中，稀土元素以等物質(zhì)的量比均勻分布，形成單相固溶體，構(gòu)型熵的增加使它表現(xiàn)出較高的維氏硬度（9.51HV）、較高的斷裂韌性（2.13 MPa·m1/2）以及較高的熱膨脹系數(shù)（10.2×10–6K–1），另外陽(yáng)離子的無(wú)序性以及熱力學(xué)的高熵效應(yīng)，使高熵稀土鈮酸鹽的熱導(dǎo)率僅為0.724 W/(m·K)，遠(yuǎn)低于單一稀土鈮酸鹽的熱導(dǎo)率（見(jiàn)圖6）。

圖6 高熵稀土鈮酸鹽與其他稀土摻雜鈮酸鹽性能對(duì)比[49]

在元素組成方面，關(guān)于非標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)計(jì)量比鋯酸釓熱障涂層的研究較為廣泛，而關(guān)于稀土鈮酸鹽在此方面的研究較少。Huang等[50]分析了非標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)計(jì)量比Y1-xNbO1.5+x涂層的結(jié)構(gòu)與性能，發(fā)現(xiàn)當(dāng)Y/Nb物質(zhì)的量比在3︰1附近變動(dòng)時(shí)，涂層的陽(yáng)離子電導(dǎo)率會(huì)發(fā)生異常增加，另外涂層彈性模量會(huì)隨著Nb含量的增加而增加，但由于晶粒尺寸和孔隙變化的低效作用，維氏硬度以及斷裂韌性并未出現(xiàn)顯著變化，經(jīng)過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)Y3NbO7擁有最低的熱導(dǎo)率、最好的力學(xué)性能以及最慢的燒結(jié)速率。

8 自愈合材料

自愈合材料包括陶瓷、聚合物、金屬及其復(fù)合材料，這些材料在經(jīng)過(guò)熱、彈道、腐蝕或其他方式受到損壞后能夠恢復(fù)其原始特性。自愈合材料最早應(yīng)用于耐腐蝕材料中，而在熱障涂層中的應(yīng)用卻鮮有報(bào)道。代爾夫特理工大學(xué)發(fā)現(xiàn)SiC在1 100 ℃環(huán)境下氧化會(huì)生成SiO2，封閉裂紋并防止裂紋擴(kuò)展。將自愈合材料應(yīng)用于大氣等離子噴涂熱障涂層中，在高溫環(huán)境下生成的氧化物可以修復(fù)制備態(tài)涂層中的裂紋與孔隙。Sonoya等[51]使用低壓等離子噴涂技術(shù)制備了YSZ–MoSi2/ NiCrAlY–黏結(jié)層多層熱障涂層，在熱循環(huán)過(guò)程中，中間層表面生成的SiO2可以對(duì)涂層進(jìn)行封閉，并且在修復(fù)裂紋與孔隙的同時(shí)，能夠有效減少氧氣的透過(guò)路徑，阻止TGO的形成，從而改善涂層的熱循環(huán)性能，將熱震壽命提高為傳統(tǒng)YSZ涂層的3倍。Ouyang等[52]在8YSZ表面制備了由20%TiC–40%Al2O3– 40%ZrO2（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）組成的自修復(fù)涂層，熱處理后涂層表面孔隙被密封，阻止了熔融腐蝕物向涂層中滲透，此外封閉的孔隙降低了氧擴(kuò)散率，減少了高溫環(huán)境下TGO的生長(zhǎng)。

雖然自愈合材料可以修復(fù)涂層中的裂紋與孔隙、提高涂層的抗腐蝕能力以及熱循環(huán)性能，但是自愈合材料對(duì)制備環(huán)境要求極高，以MoSi2為例，在制備過(guò)程中，高溫環(huán)境使MoSi2很容易與氧氣反應(yīng)生成Mo5Si3，在后續(xù)氧化生成SiO2的過(guò)程中，Mo5Si3會(huì)導(dǎo)致體積膨脹，使涂層中出現(xiàn)大量裂紋并發(fā)生區(qū)域脫落。另外，自愈合材料生成修復(fù)氧化物所需要的時(shí)間控制是自愈合涂層發(fā)展的難點(diǎn)，在過(guò)少的氧化時(shí)間下生成的氧化物無(wú)法完全修復(fù)涂層中出現(xiàn)的裂紋，后續(xù)在高溫環(huán)境下裂紋仍會(huì)擴(kuò)展，而過(guò)多的氧化時(shí)間反而會(huì)使氧化物過(guò)多地填充涂層孔隙，減少聲子的散射空間，使涂層的熱導(dǎo)率升高，降低涂層的隔熱性能。另外，氧化物與涂層材料之間有很大的熱膨脹系數(shù)差異，在高溫環(huán)境下，兩者之間的差異會(huì)使涂層內(nèi)部積累較大的應(yīng)力，使涂層產(chǎn)生裂紋。

9 總結(jié)與展望

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展、推重比的不斷提高，發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件的工作環(huán)境更加惡劣，高溫氧化、磨損以及腐蝕等都會(huì)對(duì)葉片帶來(lái)不可逆轉(zhuǎn)的損傷，因此需要在葉片表面制備熱障涂層以保護(hù)其正常運(yùn)作。目前常用的熱障涂層材料有稀土摻雜氧化鋯、稀土鋯酸鹽、稀土磷酸鹽、稀土鈰酸鹽、稀土鉭酸鹽、高熵稀土陶瓷材料、稀土鈮酸鹽、自愈合材料等，下面將對(duì)熱障涂層材料的未來(lái)研究方向進(jìn)行展望。

1）目前關(guān)于稀土元素?fù)诫s熱障涂層陶瓷材料的研究大多數(shù)集中在摻雜后陶瓷材料的熱力學(xué)性能、耐腐蝕性能、隔熱性能等方面，而關(guān)于稀土元素的摻雜含量和摻雜方式對(duì)材料性能的影響以及相關(guān)機(jī)理研究較少，揭示稀土元素?fù)诫s含量和摻雜方式對(duì)涂層性能的影響原理，可以為新型熱障涂層材料的優(yōu)化提供重要依據(jù)。

2）熱障涂層所使用的陶瓷粉末尺寸為微米或亞微米，制備方式包括高溫固相法、氣霧化法與等離子射流霧化法等，目前關(guān)于粉末尺寸及粉末制備方式對(duì)涂層的影響主要集中在制備態(tài)涂層中未熔融與部分熔融粉末顆粒對(duì)涂層的影響，而關(guān)于粉末內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)對(duì)制備態(tài)涂層中納米尺寸孔隙的影響研究仍存在一定空白。

3）隨著發(fā)動(dòng)機(jī)推重比的不斷提高，熱障涂層所處的實(shí)際工作環(huán)境不僅包含更高的溫度，更快的氣流沖刷以及更惡劣的腐蝕環(huán)境同樣會(huì)對(duì)涂層產(chǎn)生不利影響，多環(huán)境耦合對(duì)熱障涂層材料的熱力學(xué)性能、耐腐蝕性能等方面提出了更高的要求，同時(shí)也需要更復(fù)雜的測(cè)試環(huán)境對(duì)熱障涂層陶瓷材料性能進(jìn)行校核。

[1] MERT D K, YASIN O, CAHIT K A. TGO Growth and Kinetic Study of Single and Double Layered TBC Systems[J]. Surface & Coatings Technology, 2021, 415: 127135.

[2] 戴建偉, 牟仁德, 何利民, 等. 熱循環(huán)條件下NiCrAlYSi/YSZ熱障涂層層間損傷及元素?cái)U(kuò)散行為[J]. 真空, 2021, 58(3): 23-29.

DAI Jian-wei, MOU Ren-de, HE Li-min, et al. Behavior of Interlayer Damage and Elements Diffusion of NiCrAlYSi/YSZ Thermal Barrier Coatings under Thermal Cyclic[J]. Vacuum, 2021, 58(3): 23-29.

[3] 周益春, 楊麗, 劉志遠(yuǎn), 等. 渦輪葉片熱障涂層隔熱效果的研究進(jìn)展[J]. 中國(guó)材料進(jìn)展, 2020, 39(10): 707-722.

ZHOU Yi-chun, YANG Li, LIU Zhi-yuan, et al. Research Progress on Insulation Performance of Thermal Barrier Coatings on Turbine Blade[J]. Materials China, 2020, 39(10): 707-722.

[4] VASSEN R, STUKE A, ST?VER D. Recent Develo-pments in the Field of Thermal Barrier Coatings[J]. Journal of Thermal Spray Technology, 2009, 18(2): 181-186.

[5] CUI Qi-zheng, SEO S M, YOO Y S, et al. Thermal Durability of Thermal Barrier Coatings with Bond Coat Composition in Cyclic Thermal Exposure[J]. Surface & Coatings Technology, 2015, 284: 69-74.

[6] 郭雙全, 馮云彪, 何勇, 等. 未來(lái)航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱障涂層材料及制備技術(shù)[J]. 表面技術(shù), 2012, 41(5): 119-123.

GUO Shuang-quan, FENG Yun-biao, HE Yong, et al. Materials and Fabrication Technique of Thermal Barrier Coatings for Future Aeroengines[J]. Surface Technology, 2012, 41(5): 119-123.

[7] SIROHI S, KUMAR S, PANDEY C. Characterization of Damage in Thermal Barrier Coating under Different Ther-mal Cycle[J]. Materials Today: Proceedings, 2021, 38(5): 2110-2116.

[8] CAO Yu-peng, NING Xian-jin, WANG Quan-sheng. The-rmal Shock Behavior of Ba(Mg1/3Ta2/3)O3-YSZ Double- Ceramic-Layer Thermal Barrier Coatings Prepared by Atmospheric Plasma Spraying[J]. Surface and Coatings Technology, 2021, 409: 126842.

[9] 吳碩, 趙遠(yuǎn)濤, 李文戈, 等. 氧化鋯基雙陶瓷層熱障涂層表層材料研究進(jìn)展[J]. 表面技術(shù), 2020, 49(9): 101-108.

WU Shuo, ZHAO Yuan-tao, LI Wen-ge, et al. Research Progress on Top Coating Materials of Thermal Barrier Coatings with Double-Ceramic-Layer Based on Zirco-nia[J]. Surface Technology, 2020, 49(9): 101-108.

[10] HUANG Feng, NIE Ming, LIN Jie-dong, et al. Effect of Strain Ranges and Phase Angles on the Thermomec-hanical Fatigue Properties of Thermal Barrier Coating System[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2017, 46(12): 3693-3698.

[11] PAUL S, CIPITRIA A, TSIPAS S, et al. Sintering Charac-teristics of Plasma Sprayed Zirconia Coatings Containing Different Stabilisers[J]. Surface & Coatings Technology, 2008, 203(8): 1069-1074.

[12] YANG Er-juan, LUO Xiao-tao, YANG Guan-jun, et al. Epitaxial Grain Growth during 8YSZ Splat Formation on Polycrystalline YSZ Substrates by Plasma Spraying[J]. Surface & Coatings Technology, 2015, 274: 37-43.

[13] GUO Lei, GUO Hong-bo, PENG Hui, et al. Thermoph-ysical Properties of Yb2O3Doped Gd2Zr2O7and Thermal Cycling Durability of (Gd0.9Yb0.1)2Zr2O7/YSZ Thermal Barrier Coatings[J]. Journal of the European Ceramic Society, 2014, 34(5): 1255-1263.

[14] 張晶晶, 季瑋華, 白巖, 等. 等離子噴涂YSZ熱障涂層的制備與耐高溫性能[J]. 大連工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2020, 39(5): 380-385.

ZHANG Jing-jing, JI Wei-hua, BAI Yan, et al. Fabrication and Corrosion Resistance of Plasma Sprayed YSZ Ther-mal Barrier Coatings[J]. Journal of Dalian Polytechnic University, 2020, 39(5): 380-385.

[15] 趙荻, 安宇龍, 趙曉琴, 等. 不同厚度8YSZ熱障涂層的結(jié)構(gòu)及性能表征[J]. 表面技術(shù), 2020, 49(1): 276-284.

ZHAO Di, AN Yu-long, ZHAO Xiao-qin, et al. Structure and Properties of 8YSZ Thermal Barrier Coatings with Different Thickness[J]. Surface Technology, 2020, 49(1): 276-284.

[16] ZHANG Hong-ye, LIU Zhan-wei, YANG Xiao-bo, et al. Interface Failure Behavior of YSZ Thermal Barrier Coa-tings during Thermal Shock[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2019, 779: 686-697.

[17] 王進(jìn)雙. 氧化鋯熱障涂層失效機(jī)理研究[D]. 武漢: 武漢理工大學(xué), 2018: 15-16.

WANG Jin-shuang. Failure Mechanism of Zirconia Ther-mal Barrier Coating[D]. Wuhan: Wuhan University of Technology, 2018: 15-16.

[18] SONG D, SONG T, PAIK U, et al. Hot-Corrosion Resis-tance and Phase Stability of Yb2O3-Gd2O3-Y2O3Costa-bilized Zirconia-Based Thermal Barrier Coatings Against Na2SO4+V2O5Molten Salts[J]. Surface & Coatings Technology, 2020, 400: 126197.

[19] JUNG S H, LU Zhe, JUNG Y G, et al. Thermal Durability and Fracture Behavior of Layered Yb-Gd-Y-Based Ther-mal Barrier Coatings in Thermal Cyclic Exposure[J]. Sur-face & Coatings Technology, 2016, 323: 39-48.

[20] LIU Huai-fei, LI Song-lin, LI Qi-lian, et al. Investigation on the Phase Stability, Sintering and Thermal Conducti-vity of Sc2O3-Y2O3-ZrO2for Thermal Barrier Coating Appli-cation[J]. Materials & Design, 2010, 31(6): 2972-2977.

[21] FAN Wei, BAI Yu, WANG Yi-fan, et al. Microstructural Design and Thermal Cycling Performance of a Novel Layer-Gradient Nanostructured Sc2O3-Y2O3Co-Stabilized ZrO2Thermal Barrier Coating[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2020, 829: 154525.

[22] 楊煥, 王思青, 王衍飛. 熱障涂層用稀土鋯酸鹽陶瓷材料研究進(jìn)展[J]. 人工晶體學(xué)報(bào), 2016, 45(9): 2331-2335.

YANG Huan, WANG Si-qing, WANG Yan-fei. Research Progress of Rare-Earth Zirconate Ceramics Used for Thermal Barrier Coatings[J]. Journal of Synthetic Crystals, 2016, 45(9): 2331-2335.

[23] 倪嘉, 閆平, 史昆, 等. 熱障涂層陶瓷材料的研究進(jìn)展[C]// 2020中國(guó)鑄造活動(dòng)周論文集, 合肥, 2020: 208-217.

NI Jia, YAN Ping, SHI Kun, et al. Research Progress of Thermal Barrier Coatings[C]// Proceedings of 2020 China Foundry Congress, Hefei, 2020: 208-217.

[24] LUTIQUE S, JAVORSK? P, KONINGS R, et al. The Low-Temperature Heat Capacity of some Lanthanide Zirconates[J]. The Journal of Chemical Thermodynamics, 2004, 36(7): 609-618.

[25] BOBZIN K, BAGCIVAN N, BR?GELMANN T, et al. Influence of Temperature on Phase Stability and Thermal Conductivity of Single- and Double-Ceramic- Layer EB-PVD TBC Top Coats Consisting of 7YSZ, Gd2Zr2O7and La2Zr2O7[J]. Surface & Coatings Techno-logy, 2013, 237: 56-64.

[26] JIN Guo, FANG Yong-chao, CUI Xiu-fang, et al. Effect of YSZ Fibers and Carbon Nanotubes on Bonding Strength and Thermal Cycling Lifetime of YSZ-La2Zr2O7Thermal Barrier Coatings[J]. Surface & Coatings Techno-logy, 2020, 397(C): 125986.

[27] WANG L, WANG Y, SUN X, et al. Finite Element Simulation of Residual Stress of Double-Ceramic-Layer La2Zr2O7/8YSZ Thermal Barrier Coatings Using Birth and Death Element Technique[J]. Computational Mate-rials Science, 2011, 53(1): 117-127.

[28] BOBZIN K, ZHAO L, WIETHEGER W, et al. Key Influencing Factors for the Thermal Shock Resistance of La2Zr2O7-Based Multilayer TBCS[J]. Surface and Coatings Technology, 2020, 396: 125951.

[29] PANNETIER J. Energie Electrostatique des Reseaux Pyrochlore[J]. Journal of Physics and Chemistry of Solids, 1973, 34(4): 583-589.

[30] 孫俊彬. 稀土六鋁酸鹽熱障涂層失效機(jī)理研究[D]. 武漢: 武漢理工大學(xué), 2018: 15-16.

SUN Jun-bin. Failure Mechanism of Rare Earth Hexaa-luminate Thermal Barrier Coatings[D]. Wuhan: Wuhan University of Technology, 2018: 15-16.

[31] SUJITH S, KUMAR S A, MANGALARAJA R, et al. Porous to Dense LaPO4Sintered Ceramics for Advanced Refractories[J]. Ceramics International, 2014, 40(9): 15121-15129.

[32] ZHANG Cheng-long, FEI Jing-ming, GUO Lei, et al. Thermal Cycling and Hot Corrosion Behavior of a Novel LaPO4/YSZ Double-Ceramic-Layer Thermal Barrier Coa-ting[J]. Ceramics International, 2018, 44(8): 8818-8826.

[33] ZHANG Dong-bo, ZHAO Zhong-yu, WANG Bin-yi, et al. Investigation of a New Type of Composite Ceramics for Thermal Barrier Coatings[J]. Materials & Design, 2016, 112(15): 27-33.

[34] 呂建國(guó), 張昊明, 張紅松. (Sm0.5Gd0.3Yb0.2)2Ce2O7的熱導(dǎo)率與熱膨脹系數(shù)[J]. 陶瓷學(xué)報(bào), 2017, 38(1): 31-34.

LYU Jian-guo, ZHANG Hao-ming, ZHANG Hong-song. Thermal Conductivity and Expansion Coefficient of (Sm0.5Gd0.3Yb0.2)2Ce2O7[J]. Journal of Ceramics, 2017, 38(1): 31-34.

[35] 俞顯芳, 劉燕明. Dy2Ce2O7和Y2Ce2O7稀土鈰酸鹽的制備及熱導(dǎo)率[J]. 中國(guó)陶瓷, 2012, 48(4): 22-26.

YU Xian-fang, LIU Yan-ming. Preparation and Thermal Conductivities of Dy2Ce2O7and Y2Ce2O7Rare Earth Cerium Oxides[J]. China Ceramics, 2012, 48(4): 22-26.

[36] 邵鳳翔, 陳曉鴿, 張紅松. (Sm0.5Nd0.5-xLax)2Ce2O7陶瓷材料熱物理性能[J]. 陶瓷學(xué)報(bào), 2017, 38(4): 559-563.

SHAO Feng-xiang, CHEN Xiao-ge, ZHANG Hong-song. Thermophysical Properties of (Sm0.5Nd0.5-xLa)2Ce2O7Ceramics[J]. Journal of Ceramics, 2017, 38(4): 559-563.

[37] 曹學(xué)強(qiáng). 熱障涂層新材料和新結(jié)構(gòu)[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2016: 310-314.

CAO Xue-qiang. New Materials and Structures of Ther-mal Barrier Coatings[M]. Beijing: Science Press, 2016: 310-314.

[38] 陳琳, 馮晶. 稀土鉭酸鹽RE3TaO7和RETa3O9陶瓷熱-力學(xué)性質(zhì)研究進(jìn)展[J]. 現(xiàn)代技術(shù)陶瓷, 2019, 40(6): 367-397.

CHEN Lin, FENG Jing. Research Progress of Thermo- Mechanical Properties of Rare Earth Tantalates RE3TaO7and RETa3O9Ceramics[J]. Advanced Ceramics, 2019, 40(6): 367-397.

[39] 宗若菲, 吳福碩, 馮晶. 稀土鉭酸鹽在熱障涂層中的研究與應(yīng)用[J]. 航空制造技術(shù), 2019, 62(3): 20-31.

ZONG Ruo-fei, WU Fu-shuo, FENG Jing. Research and Application of Rare Earth Tantalate Ceramics for Thermal Barrier Coatings[J]. Aeronautical Manufacturing Techno-logy, 2019, 62(3): 20-31.

[40] LIMARGA A M, SHIAN S, LECKIE R M, et al. Thermal Conductivity of Single and Multi-Phase Compositions in the ZrO2-Y2O3-Ta2O5System[J]. Journal of the European Ceramic Society, 2014, 34(12): 3085-3094.

[41] LEPPLE M, USHAKOV S, LILOVA K, et al. Thermoc-hemistry and Phase Stability of the Polymorphs of Yttrium Tantalate, YTaO4[J]. Journal of the European Ceramic Society, 2021, 41(2): 1629-1638.

[42] 陳琳, 汪俊, 馮晶. 稀土鉭酸鹽陶瓷熱障涂層的研究進(jìn)展[J]. 中國(guó)材料進(jìn)展, 2017, 36(12): 938-949.

CHEN Lin, WANG Jun, FENG Jing. Research Progress of Rare Earth Tantalate Ceramics as Thermal Barrier Coatings[J]. Materials China, 2017, 36(12): 938-949.

[43] WU Fu-shuo, WU Peng, CHEN Lin, et al. Structure and Thermal Properties of Al2O3-Doped Gd3TaO7as Potential Thermal Barrier Coating[J]. Journal of the European Ceramic Society, 2019, 39(6): 2210-2214.

[44] DONG Yu, REN Ke, LU Yong-hong, et al. High-Entropy Environmental Barrier Coating for the Ceramic Matrix Composites[J]. Journal of the European Ceramic Society, 2019, 39(7): 2574-2579.

[45] ROST C M, SACHET E, BORMAN T, et al. Entropy- Stabilized Oxides[J]. Nature Communications, 2015, 6: 8485.

[46] GILD J, BRAUN J, KAUFMANN K, et al. A High- Entropy Silicide: (Mo0.2Nb0.2Ta0.2Ti0.2W0.2)Si2[J]. Journal of Materiomics, 2019, 5(3): 337-343.

[47] ZHOU Lin, LI Fei, LIU Ji-xuan, et al. High-Entropy Thermal Barrier Coating of Rare-Earth Zirconate: A Case Study on (La0.2Nd0.2Sm0.2Eu0.2Gd0.2)2Zr2O7Prepared by Atmospheric Plasma Spraying[J]. Journal of the European Ceramic Society, 2020, 40(15): 5731-5739.

[48] 朱嘉桐, 樓志豪, 張萍, 等. 稀土鉭酸鹽(RETaO4)高熵陶瓷的制備與熱學(xué)性能研究[J]. 無(wú)機(jī)材料學(xué)報(bào), 2021, 36(4): 411-417.

ZHU Jia-tong, LOU Zhi-hao, ZHANG Ping, et al. Prepa-ration and Thermal Properties of Rare Earth Tantalates (RETaO4) High-Entropy Ceramics[J]. Journal of Inor-ganic Materials, 2021, 36(4): 411-417.

[49] ZHU Jia-tong, MENG Xuan-yu, XU Jie, et al. Ultra-Low Thermal Conductivity and Enhanced Mechanical Proper-ties of High-Entropy Rare Earth Niobates (RE3NbO7, RE=Dy, Y, Ho, Er, Yb)[J]. Journal of the European Cera-mic Society, 2020, 41(1): 1052-1057.

[50] HUANG M, LIU X, FENG Y, et al. Structure and Proper-ties of Nonstoichiometric Y1-xNbO1.5+xfor Thermal Bar-rier Coatings[J]. Journal of the European Ceramic Soci-ety, 2021, 41(1): 526-534

[51] SONOYA K, TOBE S. Development of Thermal Barrier Coating System with Superior Thermal Cyclic Properties with an Intermediate Layer Containing MoSi2[J]. Journal of Solid Mechanics and Materials Engineering, 2009, 3(10): 1127-1136.

[52] OUYANG Tao-yuan, SUO Jin-ping. TiC-Self-Healing Thermal Barrier Coating Structures and Oxidation Resis-tance[J]. Surface & Coatings Technology, 2021, 412: 127065.

Research Progress of Advanced Ceramic Materials for Thermal Barrier Coatings

,,,,,

(School of Materials and Metallurgy, University of Science and Technology Liaoning, Liaoning Anshan 114051, China)

With the continuous development of aerospace technology, the thrust-weight ratio of the engine continues to increase, and the hot end components of the turbine engine are in the face of a more severe and complex use environment. The temperature of the front air inlet of the turbine engine has exceeded the maximum operating temperature of the nickel-based superalloy, so it is necessary to protect the surface of the alloy to ensure that the heated end parts of the turbine engine can be used normally in hostile environment. Thermal barrier coating is a kind of surface technology applied to heating end parts of turbine engine, which is deposited on the surface of nickel-based superalloys to reduce the surface temperature of the substrate. The performance advantages of traditional yttria partially stabilized zirconia coatings are summarized, namely excellent thermal insulation performance, higher thermal expansion coefficient and fracture toughness. At the same time, the problems of yttria partially stabilized zirconia coatings in high temperature environments are summarized, including the premature failure of the coating caused by the phase transformation of zirconia and the sintering of the coating. On this basis, this paper focuses on the research progress of advanced ceramic materials used in thermal barrier coatings in recent years, including rare earth ceramic materials and self-healing materials. Among these materials, rare earth ceramic materials embrace rare earth doped zirconia, component doped and structurally designed rare earth zirconates, rare earth phosphates, three different structures of rare earth tantalates, high entropy rare earth ceramic materials and rare earth niobates, healing materials include molybdenum disilicide and titanium carbide. In terms of thermal shock life, high temperature thermal expansion coefficient, thermal conductivity, corrosion resistance, etc., various thermal barrier coating ceramic materials are summarized, and the current development deficiencies of each material are summarized. In conclusion, this paper prospects the development trend of thermal barrier coatings material.

thermal barrier coatings; ceramic materials; preparation method; structural design;functional performance; research progress

TG174.4

A

1001-3660(2022)07-0042-11

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.07.004

2021–06–10；

2021–10–27

2021-06-10；

2021-10-27

國(guó)家自然科學(xué)基金（51702145）

The National Natural Science Foundation of China (51702145)

劉嘉航（1997—），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闊嵴贤繉印?/p>

LIU Jia-hang (1997-), Male, Postgraduate, Research focus: thermal barrier coatings.

呂哲（1987—），男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)闊嵴贤繉印?/p>

LYU Zhe (1987-), Male, Doctor, Associate professor, Research focus: thermal barrier coatings.

劉嘉航, 呂哲, 周艷文, 等. 熱障涂層先進(jìn)陶瓷材料研究進(jìn)展[J]. 表面技術(shù), 2022, 51(7): 42-52.

LIU Jia-hang, LYU Zhe, ZHOU Yan-wen, et al. Research Progress of Advanced Ceramic Materials for Thermal Barrier Coatings[J]. Surface Technology, 2022, 51(7): 42-52.

責(zé)任編輯：蔣紅晨