前言

現代航空發動機高壓渦輪普遍採用鎳基高溫合金，其最高工作溫度大約是1100℃，四代航空發動機渦輪前溫度已經達到1600℃，抵達材料表面溫度也有1100℃，此種高溫極端環境下材料易變軟，導致無法承受高速運動產生的應力，且未來發動機燃氣溫度有可能超過2000℃，抵達材料表面溫度更在1500℃以上，因此僅憑鎳基高溫合金材料本身已不能適應要求，需要熱障塗層來進一步降低材料工作溫度。

圖.航空發動機高壓渦輪via網路

熱障塗層的主要作用是降低熱端部件的工作溫度，防止部件發生高溫腐蝕，提高發動機的操作溫度和熱效率，降低排氣量，由此節約燃料，延長工件的使用壽命。現代航空發動機高壓渦輪熱障塗層主要採用先進陶瓷材料，其熔點高、強度大、熱導率低，效能優異。

1 熱障塗層的結構

熱障塗層主要有雙層結構、多層結構和梯度結構。

①雙層結構簡單，但是金屬和陶瓷兩者的熱物理效能相差較大，因此使用過程中容易產生脫落現象。

②多層結構相較於雙層結構其抗氧化效能較好，不過熱震效能改善不大，再者製作工藝複雜，重複性、可靠性較差。

2 熱障塗層材料需滿足的基本要求

①具備高熔點

②處在室溫與工作溫度間無相變

④具有良好的化學穩定性

⑤其熱膨脹係數與金屬基體相匹配

⑥與金屬基體的結合力高

⑦具有較低的燒結速率

以上幾點屬熱導率、熱膨脹係數和高溫相穩定效能最為重要。

3 可用於熱障塗層的材料

①氧化鋁：由於熱導率相對較高，熱膨脹係數較小，彈性模量大，致使隔熱效能和抗熱衝擊性能較差，暫被市場淘汰。

②氧化鋯：具有高熔點、良好的高溫化學穩定性、低導熱率，與金屬基體材料相近的熱膨脹係數以及優良的力學效能，是目前應用最廣泛的材料。但是氧化鋯在1180℃會產生相變，且伴隨3%~5%的體積膨脹，因此需要加入穩定劑，如：氧化鈣、氧化鎂、氧化釔、氧化鈰、氧化矽、氧化鈮等。

④稀土鈰酸鹽：相較於稀土鋯酸鹽，因CeO2的熔點低於ZrO2，理論上其熱膨脹係數要更高，但研究較少。

⑤稀土鉭酸鹽：與氧化鋯陶瓷材料相比，效率更高，可達到氧化鋯的2~3倍，讓材料承受的溫度降低200-300℃；其質地也比氧化鋯材料柔軟，可承受更多的應力。我國相關單位於2018年左右成功研製出新一代稀土鉭酸鹽高溫鐵彈相變陶瓷材料，可有效提高國產航空發動機渦輪前溫度，為國產航空發動機效能升級打下了堅實的基礎。

4 熱障陶瓷塗層的製備方法

①電子束物理氣相沉積（EB-PVD）法

該法於上世紀八十年代初美國最先在實驗室製造出了高質量的熱障塗層；中期俄羅斯和烏克蘭運用此法在軍用飛機的轉子葉片上鍍覆熱障塗層。

電子束物理氣相沉積（EB-PVD）法是用高能束加熱並氣化陶瓷源，陶瓷蒸汽以原子為單位沉積到基體上形成的。其塗層組織由垂直於基體表面的柱體組成，柱體與基體是冶金結合。

②鐳射熔敷法

該法利用大功率鐳射器直接輻射陶瓷或金屬粉末，將其熔化後在金屬基體上快速凝固形成塗層，陶瓷與金屬基體為冶金結合，得到垂直於表面的柱狀組織。利用鐳射重熔等離子塗層，可封閉等離子塗層中存在的氣孔，改善等離子塗層的抗蝕性。重熔後的組織為細化的垂直於表面的柱狀晶，增強了陶瓷與基體的結合力。

該法是一種合成材料的新工藝，透過加熱原料粉區域性區域引燃反應，放出大量熱依次誘發鄰近層的化學反應，從而使反應自動持續地蔓延下去。特點是反應時產生極高溫度，最高可達4000℃，反應過程中燃燒波快速移動（0.1~25cm/s），具有產物純度高、效率高、耗能少、工藝相對簡單等優點。

④等離子噴塗熱障陶瓷塗層法

該法是把金屬或陶瓷粉末送入高溫高壓的等離子火焰，呈熔融狀態噴向基體，以大約106K/s的冷卻速度凝固在基體上，粒子呈扁餅狀機械咬合在一起，形成塗層。等離子噴塗塗層組織特點是有大量的氣孔與微裂紋，這可以緩解熱應力，提高塗層的熱疲勞壽命。