燃气轮机热障涂层陶瓷材料发展现状及展望.docx

热障涂层是燃气轮机热端部件的关键保护层，它由陶瓷表层和金属粘结层构成，主要用于防止高温氧化、冲蚀和腐蚀，延长部件寿命，提高发动机效率。目前广泛应用的是6~8 wt.% Y2O3稳定的ZrO2（6~8YSZ）作为表层陶瓷材料，配以MCrAlY合金层作为粘结层的双层结构。然而，YSZ涂层在长期高温环境下工作会出现烧结、相变等问题，并易受CMAS和Na2SO4、NaVO3等盐类腐蚀，导致涂层失效。 为解决这些问题，科研人员致力于开发多层或梯度热障涂层，改进制备工艺，如等离子喷涂、电子束-物理气相沉积（EB-PVD）等，并探索新的陶瓷材料以替代6~8YSZ。例如，通过CeO2、Gd2O3、Sc2O3、TiO2等对ZrO2基陶瓷材料进行掺杂改性，研发能在更高温度下工作的超高温稀土钽酸盐热障涂层。 热障涂层的制备方法对其性能有直接影响。等离子喷涂（PS）是一种常用方法，通过高温高速等离子体射流熔化并堆积粉末形成涂层，其高孔隙率有助于隔热，但也降低了力学性能。近年来，通过优化工艺形成了具有多孔垂直裂纹的DVC微结构，增强了涂层的抗应变能力。 电子束-物理气相沉积（EB-PVD）则利用高能电子束在真空中蒸发材料并凝结成涂层，形成柱状组织，增强了耐应变能力，但设备成本高、沉积效率低且零件尺寸受限。通过调整EB-PVD技术，如制备具有羽状纳米结构和柱状孔隙的双陶瓷层热障涂层，可以进一步提高涂层的应变耐受性和热冲击寿命。 此外，等离子-物理气相沉积（PS-PVD）和高速火焰喷涂、高频脉冲爆炸喷涂、化学气相沉积法、磁控溅射、电弧蒸发等也是重要的制备方法，它们各有优缺点，适用于不同的材料和应用场景。在选择制备方法时，需要综合考虑成本、性能要求、涂层厚度、表面粗糙度及基材特性等因素。 未来的研究趋势将着重于开发更耐高温、抗腐蚀、抗烧结的新材料，优化现有涂层结构，提高涂层的综合性能。同时，简化和优化制备工艺，降低成本，扩大应用范围，以满足燃气轮机等高温设备不断提升的性能需求。新型热障涂层的发展对于提升能源效率、降低环境污染和推进航空航天、电力生产等领域技术进步具有重要意义。