杜文娟，彭旺生，林升垚，高 成,徐晉勇

(1. 桂林電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣西 桂林 514004；2. 桂林福達(dá)股份有限公司，廣西 桂林 541119)

0 前 言

熱障涂層是將高隔熱、低導(dǎo)熱、耐蝕耐磨的陶瓷材料涂覆在合金基體表面，提高合金基體表面對(duì)高熱負(fù)荷的耐受溫度，從而達(dá)到延長(zhǎng)合金基體工作壽命的目的。當(dāng)前，熱障涂層系統(tǒng)(TBCs)早已應(yīng)用在航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室和葉片等熱端部件，隨著現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)高推重比(10以上)的發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)鉁囟群蜏u輪前進(jìn)口溫度(TIT，1 600 ℃以上)在不斷提高。TBCs的應(yīng)用，可使合金溫度相對(duì)于朝向燃?xì)獾牟考砻娼禍馗哌_(dá)300 ℃，同時(shí)可減少空氣流量和燃料消耗，有利于簡(jiǎn)化冷卻裝置，進(jìn)一步提升渦輪機(jī)的設(shè)計(jì)[1-4]，有助于發(fā)動(dòng)機(jī)向高效率、低污染的方向發(fā)展。

第4代氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯熱障涂層(YSZ)具有低的熱導(dǎo)率[2.1～2.3 W/(m·K)，1 000 ℃]，高的熱膨脹系數(shù)(CTE，8.0～10.4×10-6℃-1)，高的斷裂韌性(KIC，2～3 MPa·m1/2)，以及優(yōu)異的熱力學(xué)性能，是目前應(yīng)用最為廣泛的熱障涂層陶瓷層材料。但是由于長(zhǎng)期處于1 200 ℃以上的工作環(huán)境中，YSZ涂層存在以下問(wèn)題：(1)相變：產(chǎn)生體積膨脹，導(dǎo)致涂層內(nèi)部應(yīng)力集中，促使裂紋萌生、擴(kuò)展；(2)燒結(jié)：導(dǎo)致涂層致密化、隔熱性能及抗熱震性能顯著下降；(3)燃料腐蝕和熱腐蝕：V、Na、S等腐蝕性物質(zhì)和CMAS[CMAS是指進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的外來(lái)物中的主要成分(氧化鈣CaO、氧化鎂MgO、氧化鋁Al2O3和二氧化硅SiO2)]，易與穩(wěn)定劑Y2O3發(fā)生熱物理反應(yīng)，促使低釔的ZrO2相變加快；腐蝕產(chǎn)物的生成(如YVO4)會(huì)產(chǎn)生附加應(yīng)力，加速涂層的失效[5-9]。為了延長(zhǎng)TBCs的使用壽命，近年來(lái)，開(kāi)展了許多關(guān)于TBCs制備工藝、涂層組分優(yōu)化及涂層結(jié)構(gòu)的研究。

1 TBCs的制備技術(shù)

從熱障涂層技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用要求來(lái)看，大氣等離子噴涂(APS)和電子束物理氣相沉積(EB-PVD)是制備TBCs的2種主要工藝。APS工藝具有噴涂參數(shù)可調(diào)、工藝溫度寬泛、穩(wěn)定性好、沉積效率高和經(jīng)濟(jì)可行的優(yōu)勢(shì)[3,10-12]；APS-TBCs具有片層的堆積和水平微裂紋網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，孔隙率高，熱導(dǎo)率低，應(yīng)變順應(yīng)性較差，在熱循環(huán)中，通常因?yàn)閼?yīng)力和腐蝕物的影響而導(dǎo)致涂層失效[12]。相比之下，EB-PVD利用電子束加熱使材料汽化，沉積到基體表面，形成單晶柱狀結(jié)構(gòu)涂層，具有更高的應(yīng)變?nèi)菹藓透玫目篃嵴鹦阅躘10,12,13]，且內(nèi)部無(wú)水平裂紋，涂層結(jié)構(gòu)致密，結(jié)合力強(qiáng)；然而，EB-PVD-TBCs熱導(dǎo)率較高，沉積效率較低，工藝復(fù)雜，成本高[10,12]。結(jié)合APS(微裂紋網(wǎng)格)和EB-PVD(柱狀晶)的工藝優(yōu)勢(shì)，已發(fā)展出有良好應(yīng)用前景的沉積工藝：懸浮液等離子噴涂(SPS)、溶液前驅(qū)體等離子噴涂(SPPS)和等離子噴涂-物理氣相沉積(PS-PVD)技術(shù)。

1.1 懸浮液等離子噴涂技術(shù)

懸浮液等離子噴涂 (SPS)是一種改進(jìn)的等離子噴涂技術(shù)，將亞微米或納米的氧化物顆粒分散到特定溶劑中，形成穩(wěn)定的懸浮液，送入等離子焰流以制備涂層。SPS可形成2種微觀結(jié)構(gòu)：垂直裂紋結(jié)構(gòu)和類柱狀晶結(jié)構(gòu)。當(dāng)采用大功率、小距離噴涂高濃度懸浮液時(shí)，獲得的涂層結(jié)構(gòu)比較致密，有利于形成垂直裂紋；反之，當(dāng)采用小功率、大距離噴涂低濃度懸浮液時(shí)，獲得的涂層結(jié)構(gòu)較為疏松，有利于形成柱狀晶結(jié)構(gòu)[14,15]。Ganvir等[16]、Vanevery等[27]發(fā)現(xiàn)，動(dòng)能高的液滴會(huì)產(chǎn)生法向沉積，利于制備垂直裂紋結(jié)構(gòu)；動(dòng)能低的液滴，受“陰影”效應(yīng)影響，易沉積在有凸起的部位，可用于制備柱狀晶結(jié)構(gòu)涂層。還有研究者指出，當(dāng)粉末的平均粒徑小于0.5 μm，懸浮液滴尺寸在1～5 μm時(shí)，有利于形成柱狀結(jié)構(gòu)[18]。探尋SPS涂層結(jié)構(gòu)的沉積機(jī)理有助于把控涂層微觀結(jié)構(gòu)，進(jìn)行可控工藝研究；雖然近年來(lái)研究人員開(kāi)展了眾多的理論和試驗(yàn)研究，但其形成機(jī)理尚未被完全揭示。

相較于APS-TBCs，SPS-TBCs片層極薄，粒徑在納米或亞微米級(jí)別，涂層結(jié)構(gòu)扁平致密并均勻分布著大量微孔及垂直裂紋，熱導(dǎo)率低至0.6～0.8 W/(m·K)[4,19,20]；垂直裂紋的存在，提高了涂層的應(yīng)變?nèi)菹?，增?qiáng)了因燒結(jié)引起體積收縮的耐受性，使高彈性模量的SPS-TBCs抗熱震性能更為優(yōu)異，壽命更長(zhǎng)。與APS-TC相比，SPS-TC的密度越大，斷裂韌性越高，抗燒結(jié)性能也就越好[13]。相較于EB-PVD-TBCs，SPS-TBCs涂層孔隙率明顯更高，具有更低的熱導(dǎo)率，且獲得類柱狀晶結(jié)構(gòu)的成本更低；通過(guò)改變類柱狀晶的涂層密度，可獲得基本接近于EB-PVD和PS-PVD制得的涂層微觀結(jié)構(gòu)[13,20]。盡管SPS-TBCs具有更好的熱力學(xué)性能和更長(zhǎng)的熱循環(huán)壽命，但仍需進(jìn)行更多的研究，尤其是在評(píng)估其長(zhǎng)期耐久性方面。

1.2 溶液前驅(qū)體等離子噴涂

基于SPS，發(fā)展了溶液前驅(qū)體等離子噴涂技術(shù)(SPPS)，前驅(qū)體溶液有2種：特殊的氫氧化物溶膠有機(jī)溶液和所需陽(yáng)離子氧化物的可溶性鹽配制成的水溶液[21]，前者的穩(wěn)定性較高[12,22]。SPPS工藝具有如下特征：(1)垂直裂紋結(jié)構(gòu)：貫穿整個(gè)涂層厚度，有利于緩解涂層中因CTE不匹配產(chǎn)生的熱應(yīng)力；(2)與APS-TBCs相比，SPPS涂層結(jié)構(gòu)致密，均勻分布著大量尺度為0.5～1.0 μm的微小孔隙，熱導(dǎo)率極低[3,4]，平面內(nèi)斷裂韌性提高了5倍，熱循環(huán)耐久性優(yōu)異，且涂層循環(huán)耐久性不會(huì)因厚度的增加而降低[11,12,22]；(3)孔隙率的平面排列：IPB(層間邊界，inter pass boundary, IPB)結(jié)構(gòu)[12,22]，YSZ-IPB-TBCs熱導(dǎo)率可低至0.63 W/(m·K)，涂層韌性提高，相應(yīng)的耐久性和抗侵蝕性能提高[23]；(4)溶液可獲得亞穩(wěn)定相；研究發(fā)現(xiàn)，采用SPPS工藝可以在亞穩(wěn)定溶液中保持高達(dá)20%的氧化鋁，顯著提高涂層的CMAS電阻[24]?；谏鲜鰞?yōu)勢(shì)，采用SPPS工藝獲得高性能涂層，具有相當(dāng)廣闊的前景。然而SPPS工藝較為復(fù)雜，沉積效率較低，尤其噴涂參數(shù)的選擇對(duì)涂層性能的影響極大，工藝有待持續(xù)優(yōu)化改進(jìn)。

1.3 等離子噴涂 - 物理氣相沉積

等離子噴涂-物理氣相沉積(PS-PVD)技術(shù)是最新熱障涂層制備技術(shù)。采用低壓、大功率的等離子噴槍形成超音速等離子射流，可將原料熔融并汽化，是典型的氣-固-液三相復(fù)合沉積。PS-PVD技術(shù)可以通過(guò)改變噴涂參數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)涂層組織結(jié)構(gòu)的可控沉積、大面積和復(fù)雜型面沉積，沉積效率高，工藝均勻致密，成本低[2,10,25]；涂層結(jié)構(gòu)兼俱優(yōu)異的抗高溫氧化性能、耐腐蝕性能、抗熱震性能、良好的應(yīng)變順應(yīng)性和較長(zhǎng)的熱循環(huán)壽命[4,10,28]。

目前，PS-PVD-TBCs研究仍處于初級(jí)階段，其研究主要集中在YSZ涂層工藝參數(shù)和基材的物理性能這2個(gè)方面。Mauer小組研究了不同等離子體氣體成分的比值和溫度之間的關(guān)系，表明Ar/He混合等離子體氣體溫度遠(yuǎn)高于Ar/H2混合等離子氣體溫度，加H2會(huì)使徑向溫度分布變寬，加He會(huì)導(dǎo)致晶體黏度提高及涂層厚度增加，說(shuō)明He有利于涂層材料粉末的蒸發(fā)[26]。另外，通過(guò)改變功率密度、調(diào)節(jié)等離子氣體成分和粉末進(jìn)料速度，均可調(diào)節(jié)粉末的蒸發(fā)程度[10,27]；隨著懸浮液固含量的增加，粉末顆粒尺寸呈非線性增大，固含量越高，粉末球形越規(guī)則，柱狀涂層厚度越厚，沉積效率也越高，但是粉末粒徑的Hausner比應(yīng)小于1.25，這樣粉末的流動(dòng)性會(huì)更好[27,28]。Aygun等[25]的研究結(jié)果表明，當(dāng)噴涂功率為12 kW、噴涂距離為900 mm、送粉率為20 g/min時(shí)，可獲得良好的準(zhǔn)柱狀晶結(jié)構(gòu)涂層，同時(shí)具有較高的沉積速率，在1 100 ℃時(shí)，熱導(dǎo)率僅為0.934 W/(m·K)?？傊?，有關(guān)PS-PVD沉積工藝還需要系統(tǒng)地研究。目前該技術(shù)正在逐漸普及，并將在未來(lái)發(fā)揮關(guān)鍵的作用。

2 單層YSZ改性研究

經(jīng)第一性原理和試驗(yàn)證實(shí)，將多元稀土氧化物共摻雜氧化鋯可以進(jìn)一步降低涂層熱導(dǎo)率，提高高溫相穩(wěn)定性和耐熱腐蝕性能，此種涂層可以代替YSZ涂層。白宇等[29]采用新型超音速懸浮液等離子噴涂(SSPS)制備了Sc2O3-Y2O3-ZrO2-TBCs(ScYSZ),涂層結(jié)構(gòu)致密，在1 500 ℃的高溫下放置200 h后仍保持100%四方t相，熱導(dǎo)率為2.05～2.32 W/(m·K)，較相同條件下YSZ低約20%～28%；在1 300 ℃時(shí)，熱循環(huán)壽命高達(dá)914次，為YSZ-TBCs壽命的2.6倍。Sc元素與Na2SO4/NaVO3熔鹽反應(yīng)性非常弱，稀土氧鍵強(qiáng)度增強(qiáng)，抑制了釩酸鹽的滲透，穩(wěn)定了ZrO2相結(jié)構(gòu)[30]。ZrO2-Ta2O3-Y2O3-TBCs在1 500 ℃時(shí)仍可保持單一t相，熱導(dǎo)率為2.12～2.35 W/(m·K)[31]；在Na2SO4+V2O5的環(huán)境中，高溫下Ta+與Y+生成高穩(wěn)定相YTaO4，其固溶度遠(yuǎn)大于Ta+和Y+，大大降低了Y2O3與NaVO3/V2O5反應(yīng)的可能性，加之Ta2O3的酸性更強(qiáng)，優(yōu)先與堿性NaVO3反應(yīng)，確保了的Y2O3穩(wěn)定作用[30]；另外復(fù)合添加Ln2O3(Ln=Nd/Gd/Sm)氧化物，可使其熱導(dǎo)率低至1.4～2.1 W/(m·K)，同時(shí)提高燒結(jié)電阻[32,33]。徐娜等[34]采用APS制備了5.35%Gd2O3-5.67%Yb2O3-9.55%Y2O3-ZrO2(GdYbYSZ)涂層，在1 400 ℃×144 h的燒結(jié)條件下仍保持單一立方c相，其熱導(dǎo)率：在1 000 ℃時(shí)，為0.705 W/(m·K)，在1 400 ℃時(shí)，僅為0.949 W/(m·K)；由于Yb2O3的酸性更強(qiáng)，Gd2O3和Y2O3優(yōu)先與Na2SO4+V2O5熔鹽反應(yīng)，Yb2O3的穩(wěn)定作用幾乎不受影響[30]。陳東等[35]制備的APS-Yb2O3-Gd2O3-Yb2O3-YSZ涂層，在高溫下保持穩(wěn)定的t/c相結(jié)構(gòu)，隔熱效果高達(dá)175 ℃，較同條件下8YSZ提高了18%。在YSZ中摻雜CeO2，APS-CYSZ涂層呈層狀結(jié)構(gòu)，t相穩(wěn)定，隔熱性能較7YSZ提高幅度高達(dá)52%[36]；然而CeO2與釩酸鹽會(huì)產(chǎn)生礦化作用，對(duì)涂層影響較大[30]。

多元稀土氧化物摻雜氧化鋯將成為TBCs改性的主流趨勢(shì)，有必要深入研究摻雜劑對(duì)YSZ性能的影響。

3 TBCs多層結(jié)構(gòu)性能研究

開(kāi)發(fā)雙陶瓷層/多陶瓷層(DCL/MCL)和功能梯度涂層(FGC)，是解決YSZ相變問(wèn)題、有效提高TBCs耐久性的一種新興方法。多層結(jié)構(gòu)是將具有低熱導(dǎo)率、優(yōu)異的耐腐蝕性能和高溫相穩(wěn)定性的材料放至頂層，將具有高KIC、高CTE的材料作為中間層，以制備高性能的多層TBCs。采用梯度結(jié)構(gòu)的熱障涂層，在涂層厚度方向，可實(shí)現(xiàn)涂層的組元結(jié)構(gòu)、線膨脹系數(shù)和熱力學(xué)性能的連續(xù)梯度過(guò)渡，緩和材料間的界面應(yīng)力，降低燒結(jié)速率和彈性模量的增量，具有比雙層更好的應(yīng)變耐受性和抗熱震性能，涂層工作壽命明顯延長(zhǎng)[2,4,7]。但是，梯度結(jié)構(gòu)制備困難、重復(fù)性差，而且不適合CTE很大的材料，從而限制了該結(jié)構(gòu)的發(fā)展。

在新型熱障涂層陶瓷材料的研究中，A2B2O7型陶瓷材料是一種非常有潛力的TBCs候選材料，如燒綠石結(jié)構(gòu)La2Zr2O7、Gd2Zr2O7、Nd2Zr2O7、Sm2Zr2O7和螢石結(jié)構(gòu)La2Hf2O7、La2Ce2O7；將這類陶瓷材料與YSZ組合所形成的多層結(jié)構(gòu)，已成為一個(gè)新興系統(tǒng)。

3.1 Gd2Zr2O7/YSZ多層結(jié)構(gòu)TBCs體系

鋯酸軋(Gd2Zr2O7，GZO)，燒綠石結(jié)構(gòu)鋯酸鹽的代表性材料，具有低的熱導(dǎo)率：在700～1 000 ℃之間為1.2～1.7 W/(m·K)，優(yōu)異的高溫相穩(wěn)定性、低透氧率、低燒結(jié)率、良好抗輻射性和耐化學(xué)性；在1 550 ℃左右時(shí)，GZO發(fā)生了從無(wú)序的螢石結(jié)構(gòu)向有序的燒綠石結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，未出現(xiàn)體積膨脹，立方相保持不變[4,12,8]；其局限性在于較低的KIC(0.8～1.0 MPa·m1/2)和CTE[(8～9)×10-6K-1]，以及與TGO(熱生長(zhǎng)氧化物)的化學(xué)不相容性[4,8,37,38]，導(dǎo)致單層GZO的熱循環(huán)壽命較 YSZ短。

雙層/多層/功能梯度結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可以彌補(bǔ)單層GZO的較多缺點(diǎn)。有研究者們[8,19,37,38]研究了單層YSZ、GZO和雙層GZ/YSZ在1 000 ℃的氧化和TGO生長(zhǎng)行為；GZO在高溫下呈現(xiàn)螢石相的晶體結(jié)構(gòu)，氧空位的缺陷為雙層涂層提供了較低的透氧率，提高了涂層的抗氧化性；YSZ具有高的KIC和CTE,可提高雙層抗誘導(dǎo)應(yīng)力強(qiáng)度，同時(shí)解決了GZO與TGO熱化學(xué)不相容的問(wèn)題[8]；在3種涂層中，GZ/YSZ-TBCs性能最優(yōu)，壽命最長(zhǎng)，但是GZ/YSZ中TGO的厚度最高，是雙層損傷的主要原因[38]。在壽命高于常規(guī)涂層的納米結(jié)構(gòu)涂層中，n-GZ/YSZ氧化壽命更是n-GZO的3.2倍[37]。還有研究表明，多孔GZ/YSZ-TBCs的熱循環(huán)壽命長(zhǎng)于多孔致密的YSZ-TBCs和致密GZ/YSZ-TBCs，且多孔結(jié)構(gòu)顯示出更低的腐蝕速率[39]。此外，SPS-GZ/YSZ-TBCs具有更高的熱循環(huán)壽命和更低的熱導(dǎo)率，在1 000 ℃時(shí)，熱導(dǎo)率僅為1.1 W/(m·K)，但是熱導(dǎo)率會(huì)隨著溫度的升高而增加[19]。Mahade等[40]還制備了SPPS-GZ/YSZ涂層，其中GZO層具有垂直裂紋組織的致密結(jié)構(gòu)，熱導(dǎo)率為僅為0.63 W/(m·K)；在周期性CMAS 試驗(yàn)中，SPPS-GZ/YSZ表現(xiàn)出比APS-GZ/YSZ更優(yōu)異的抗熱腐蝕性能。Carpio等[41]采用APS制備了GZ/YSZ雙層和功能梯度涂層，在不同的熱處理?xiàng)l件下對(duì)比發(fā)現(xiàn)，DCL-GZ/YSZ熱疲勞抗性差，主要是由CTE的差異引起的熱應(yīng)力所致；FGC-GZ/YSZ利用了Gd2Zr2O7的特性，成分的梯度變化使得熱應(yīng)力和微裂紋形成均勻分布，表現(xiàn)出良好的抗熱疲勞性能，F(xiàn)GC結(jié)構(gòu)顯示出更低的熱導(dǎo)率和更高的熱循環(huán)壽命。

在耐腐蝕方面，Gd2Zr2O7在CMAS的環(huán)境下，形成磷灰石層[Ca2Gd8(SiO4)6O2]，可有效阻止CMAS對(duì)涂層的熱腐蝕[4,8,40]；在V2O5+Na2SO4的環(huán)境中，GZO與YSZ的腐蝕機(jī)理相似，與熔鹽反應(yīng)生成GdVO4和 YVO4，但是GdVO4穩(wěn)定性更好，且釓與熔鹽反應(yīng)性極低；這為Gd2Zr2O7提供了更好的耐蝕性[42]。當(dāng)GZ/YSZ-TBCs遇到V2O5時(shí)，GZO表面會(huì)形成連續(xù)致密的反應(yīng)層，當(dāng)溫度低于700 ℃時(shí)，反應(yīng)層由GdVO4和ZrV2O7組成，在高溫下，反應(yīng)層由GdVO4和 m-ZrO2組成，且反應(yīng)層厚度隨溫度和加熱時(shí)間的變化變化不大，雙層可有效阻擋有害熔鹽的腐蝕[43]；而三層體系的密封層對(duì)于改善抗腐蝕性能是無(wú)效的，因?yàn)槊芊鈱訙p少了腐蝕性熔鹽的滲透通道，導(dǎo)致熔鹽從邊緣溢出，反而會(huì)造成相對(duì)較大的危害[42,44]。

3.2 La2Zr2O7/YSZ多層結(jié)構(gòu)TBCs體系

鋯酸鑭(La2Zr2O7，LZO)，具有較低的透氧率、優(yōu)異的高溫相穩(wěn)定性、較高的耐蝕性和抗燒結(jié)性能，其燒綠石的晶體結(jié)構(gòu)，確保了更低的熱導(dǎo)率，在1 000 ℃時(shí)，僅為1.5～1.8 W/(m·K)，同Gd2Zr2O7均是YSZ優(yōu)良的替代材料。較低的CTE(9.1～9.7×10-6K-1)和KIC(1.1 MPa·m1/2)是單層LZO失效的關(guān)鍵[45-47]； 1 200～1 450 ℃的熱循環(huán)試驗(yàn)表明，單層LZO抗熱震性能較差，熱循環(huán)壽命較YSZ短[48]。La2Zr2O7材料還具有優(yōu)異的耐腐蝕性能，其原理同Gd2Zr2O7相同[9,47,49]。

為了充分發(fā)揮La2Zr2O7材料的性能優(yōu)勢(shì)，改善涂層結(jié)構(gòu)性能，在940～1 300 ℃下，對(duì)LZ/YSZ-TBCs和YSZ-TBCs進(jìn)行了梯度熱循環(huán)試驗(yàn)。結(jié)果表明，DCL涂層整體的使用壽命相較于單層YSZ提高了2倍；雙層結(jié)構(gòu)有效降低了殘余應(yīng)力，抗熱震性能增強(qiáng)；隔熱效果增強(qiáng)，燒結(jié)速率下降了30%[46,49,50,51]；在1 100 ℃×100 h燒結(jié)條件下，LZ/YSZ和YSZ的TGO生長(zhǎng)速率常數(shù)K-p分別為5.79×10-2，6.26×10-2m2/h，TGO厚度分別為3.75 μm和5.50 μm，即LZ/YSZ雙層結(jié)構(gòu)抗氧化性能更為優(yōu)異[52]。Bobzin等[53]還對(duì)比了7YSZ和LZO組成的4層結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)其抗熱震性能反而較7YSZ差，熱循環(huán)行為并沒(méi)有改善；雙層LZ/YSZ-TBCs仍具有最長(zhǎng)的熱循環(huán)壽命。一些研究人員[46,54]還采用納米結(jié)構(gòu)來(lái)改善LZO的性能，研究結(jié)果如下：n-LZ/8YSZ隔熱效果：較n-8YSZ提高了35%，較8YSZ提高了70%以上；在1 200 ℃，雙層n-LZ/8YSZ抗熱沖擊次數(shù)幾乎是n-8YSZ的2倍，遠(yuǎn)高于8YSZ涂層；在1 200 ℃下，氧化失效時(shí)間：8YSZ為175 h，n-8YSZ為225 h，n-LZ/8YSZ在400 h后氧化增重仍舊不明顯。其中，采用SPS制備的單雙層納米結(jié)構(gòu)LZO熱導(dǎo)率最低，≤0.73 W/(m·K)，n-LZ/8YSZ具有更優(yōu)異的隔熱、抗熱震和抗高溫氧化性能[46,48]。此外， Chen等[55]設(shè)計(jì)了6層LZ/YSZ雙組分梯度涂層，具有與LZO相似的熱導(dǎo)率和幾乎等同于YSZ的熱膨脹系數(shù)，其抗熱震性比傳統(tǒng)的DCL-LZ/YSZ體系要好得多。Naga等[47]設(shè)計(jì)的YSZ-LZO(75∶25)梯度TBCs，在Na2SO4+V2O5熔鹽環(huán)境下，在900 ℃×50 h的條件下熱處理后，表現(xiàn)出較高的抵抗能力，在熱循環(huán)環(huán)境下表現(xiàn)出更好的壽命性能。

LZ/YSZ-DCL-TBCs的失效主要是由于LZO中產(chǎn)生的層狀裂紋所導(dǎo)致的逐層脫落，TGO的生長(zhǎng)和CTE失配所產(chǎn)生的應(yīng)力為主要原因。微裂紋沿著涂層中阻力比較小的地方逐層擴(kuò)展，裂紋數(shù)量隨著YSZ和LZO涂層厚度比的增加而增多[48]；且YSZ層越厚，LZ層越薄，DCL-TBCs抗熱震性能越高[46]。頂層LZO有助于減緩YSZ的燒結(jié)，通過(guò)改善多孔結(jié)構(gòu)的陶瓷層，可提高燒結(jié)阻力。Guo等[51]在LZO中添加YSZ纖維(Y)/碳納米管(C)來(lái)改善LZ/YSZ-TBCs的性能，結(jié)果表明：LZ-Y/YSZ-TBCs具有最低的熱導(dǎo)率，在1 000 ℃時(shí)僅為0.92 W/(m·K)，其結(jié)合強(qiáng)度是原LZ/YSZ-TBCs的1.84倍；LZ-C/YSZ則具有最高的斷裂韌性，為(1.125±0.070) MPa·m1/2，熱循環(huán)壽命較LZ/YSZ-TBCs提高了29%。

3.3 La2Ce2O7/YSZ多層結(jié)構(gòu)TBCs體系

鈰酸鑭(La2Ce2O7，LCO)具有螢石結(jié)構(gòu)，在1 200 ℃時(shí)，熱導(dǎo)率低至0.7 W/(m·K)，熱穩(wěn)定性高達(dá)1 673 K，有比YSZ更大的熱膨脹系數(shù)，為12.23×10-6/K，LCO是為數(shù)不多的單層性能與YSZ相似的材料之一[56,57]。在1 250 ℃熱處理后，LCO與CMAS之間反應(yīng)生成Ca2(LaxCe1-x)8(SiO4)6O6-4x(棒狀相)、CeO2(球狀相)、CaAl2Si2O8和MgAl2O4的結(jié)晶反應(yīng)層，可有效阻止CMAS滲入涂層[56,58],具有優(yōu)異的抗腐蝕性能。然而，LCO較低的KIC、與TGO的化學(xué)不相容性以及低溫下(<500 ℃)CTE的急劇降低都會(huì)導(dǎo)致LCO涂層的過(guò)早失效，影響工作壽命。因此，為了克服這些障礙，人們提出了多層TBCs體系。

在LCO和TGO之間插入一層YSZ惰性層，解決了LCO與TGO(Al2O3)的熱化學(xué)不相容和熱失配問(wèn)題；LC/YSZ的隔熱性能隨著LCO層厚度的增加而提高；當(dāng)LCO厚度增加時(shí)，LCO層的最大能量釋放速率增大，YSZ能量釋放速率則減小，當(dāng)LCO和8YSZ層的厚度比保持在1:1時(shí)，熱障涂層整體具有最高的抗熱震性能[57]；同時(shí)LC/YSZ-TBCs也顯示出比LC-TBCs和YSZ-TBCs更長(zhǎng)的熱循環(huán)壽命。LC/YSZ雙層的失效主要是LC涂層表面在熱循環(huán)過(guò)程中的燒結(jié)所致，TGO的生長(zhǎng)導(dǎo)致YSZ層裂，加速涂層分層[59]。Kang等[56]制備了LC-50mol%YSZ /YSZ復(fù)合涂層，YSZ的添加提高了LC的斷裂韌性，抑制了CTE的突然下降，在1 200 ℃時(shí)，熱導(dǎo)率為0.92 W/(m·K)，同YSZ、 LC/YSZ相比，復(fù)合涂層的熱循環(huán)壽命分別提高了93%、91%；且復(fù)合涂層中的TGO厚度最小，其隔熱性能更為優(yōu)異。還有研究[60]制備了LC/YSZ梯度涂層，斷裂韌性沿涂層厚度方向由(0.41±0.11) MPa·m1/2線性增加到(2.15±0.21) MPa·m1/2，由于應(yīng)力分布的分散性和斷裂韌性的提高，其熱循環(huán)性能較雙層結(jié)構(gòu)涂層有了很大的改善。

4 結(jié)語(yǔ)與展望

TBCs系統(tǒng)的復(fù)雜性和多樣性使其研究成為一項(xiàng)耗時(shí)的任務(wù)。目前，傳統(tǒng)陶瓷層材料已無(wú)法滿足新一代超高TIT發(fā)動(dòng)機(jī)的要求，為滿足要求應(yīng)致力于開(kāi)發(fā)新型陶瓷材料和涂層改性技術(shù)。此外，充分利用不同陶瓷材料的物理和熱力學(xué)性能優(yōu)勢(shì)，制備多層多功能型復(fù)合涂層，如雙層結(jié)構(gòu)和功能梯度結(jié)構(gòu)，無(wú)疑是較有前景的研究方法之一。SPS、SPPS和PS-PVD技術(shù)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)APS和EB-PVD的缺陷，各自都有著廣闊的發(fā)展前景，但如何利用現(xiàn)有基礎(chǔ)改進(jìn)制備工藝，制備高性能多層/功能梯度涂層，并將其應(yīng)用到工業(yè)領(lǐng)域，仍然面臨著相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。