《高温涂层的研究与进展》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高温涂层的研究与进展（4页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、年六屠奎圈表面I 程学术奢诅兰州2 0 0 6 年8 月 高温涂层的研究与进展 刘延辉s ，周细应 ( 上海工程技术大学材料工程学院，上海2 0 1 6 0 0 ) 【捕要】该文在综合高温涂层的发展历程和研究、应用现状的基础上，简单评述了铝化物、M e r A l X 、热障涂层各自的发展及性能特点，以及这些涂层结构的研究发展状况；讨论了活性元素、晶界效 应和涂层结构对高温涂层性能的影响机制；介绍了几种常用制备方法：扩散渗镀、P S 、E B - P V D 、 磁控溅射的特点和应用情况 【关键词1 高温涂层表面保护制备研究进展 0 前言 高温涂层能够经济、有效的弥补高温结构材料抗氧化性能和热
2、腐蚀性能的不足，在航空、动力、能 源等工业得到广泛的应用和发展。本文从化学成分和涂层结构的演变，涂层高温性能的影响因素， 涂层制备技术三个方面，对高温涂层近年来的研究及进展做了简要的概括和分析。 1 高温涂层成分和结构的演变 1 1 铝化物涂层 高温渗铝涂层的研究，可以追溯到上世纪早期，但真正意义上的高温涂层，是从二战后开始发展的。 在N i 基、F c 基或c o 基合金表面渗镀铝后，高温下其表面形成的A 1 2 0 3 膜，能够阻隔氧原子向涂层内 部的扩散，保护涂层和基体的稳定。随后，作为提高和改善材料性能的有效途径，添加合金元素在 高温合金表面涂层的发展中也得到大量的研究和应用。 铝化物
3、虽然存在涂层主相B N i A I 韧脆转变温度高，与基体存在的互扩散严重的缺点，但因制备 简便、成本低，加上合金化对性能的改善，防护效果的性价比较高，在不超过9 0 0 的工作环境中， 得到较为广泛的应用，使得铝化物涂层在高温涂层的应用中占有8 0 的比重o ”1 。崔李苹等人的研 究表明，s i 的加入，可以有效抑制9 相的生长，延缓涂层的退化速度，使涂层的抗高温氧化性能更 好。P t 与A 眭成的P t A l z * f l ，弥散在N i A l 相中，通过降低氧化膜，基体界面缝隙的生长，增加A 1 2 0 3 膜的附着力，阻碍氧、硫扩散进入基体，提高了合金的抗氧化和抗热腐蚀性能口】
4、。如今，A I - P t 、 A 1 - S i 、A I - C r 、A 1 - R E 、A 1 。P d 等改进的铝化物涂层已经被大量的研究和应用于工业生产。 1 2M C r A I X 型包覆涂层 M C r A I X 型包覆涂层( 其中M 代表F e 、N i 、C o 中的一种或几种元索，x 代表T a 、H f 、Y 等添加元素) 是从上世纪6 0 年代发展起来的，由于c r 等合金元素和稀土元素的加入，相对于铝化物涂层，抗氧化 性能和耐腐蚀性有所提高，涂层与基体间的互扩散对涂层的退化得到改善。虽然M C r A I X 型包覆涂 层与基体之间存在明显的成分突变，高温下二
5、者间的互扩散难以避免，但与基体金属的粘附性较好 t 6 。 1 3 热障涂层 上世纪7 0 年代研发成功的热障涂层( T B C ) ，则强化和放大了陶瓷材料在高温涂层中的应用， 除了耐高温和热腐蚀之外，表面一定厚度的陶瓷层还具有隔热的功能。研究表明，由M c r A 粘结 层和陶瓷层组成的热障涂层，能够使基体金属温度降低1 0 0 2 0 0 。因热导率较低、热膨胀系数 较高的特点，陶瓷层的研发以Z r 0 2 陶瓷材料为主，同时还需添加适量的Y 2 0 3 、c e 0 2 等抑制加2 晶 5 刘延辉，男，讲师，从事薄膜和表面工程技术的研究，T e l ；0 2 1 - 6 7 7 9 1
6、 2 0 3 ，E m a i ls c o p e y 1 6 3 g o l n 第六届奎用袁面工程学术奢议 兰州2 0 0 6 年8 月 型的转变。由于与基体金属之间热膨胀系数的严重失配，以及陶瓷材料难以避免的气孔和微裂纹， 粘结层在热障涂层中不仅起着粘结附着的作用，还起到抗氧化的作用“】。 1 4 高温涂层的结构演变 热障涂层出现后，人们注意到涂层结构对其性能也存在着影响。在总结铝化物涂层的基体渗镀， 到M C r A t X 涂层的单层附着，再到热障涂层的双层结构的基础上，出现了有关涂层结构设计的研究。 特别是纳米科技的兴起和应用研究，为在微观尺度调控涂层的结构，提供了理论基础和前导
7、研究。 目前研究较多，并且具有应用研究的如微层叠加涂层和梯度过渡结构涂层。涂层结构的发展，着眼 于涂层与基体的粘附性和互扩散，而且与涂层化成分的发展密切相关。 2 高温涂层性能的制约因素 高温涂层的性能取决于表面氧化膜的稳定性、连续性和致密性，氧化膜和涂层、涂层与基 体之问的结合力，涂层成分和结构的稳定性。为了获得优良的高温性能，人们作了大量的研究工 作，探索和归纳化学成分、微观结构和涂层结构等因素对涂层性能的影响。 2 1 活性元素效应 T i 、盈、H r 稀土元素等微量合金元素在添加后，能够显著改善高温涂层抗氧化性能的作用， 被称为活性元素效应。活性元素效应虽然很早就被发现。也得到大量研
8、究和应用的验证，但对此的 解释，却没有统一的观点。虽然多数研究认同活性元素在晶界的偏聚，但对此的解释却有扩散传质 阻挡、空位沉积、杂质净化等观点。李美栓等人在总结各种观点的基础上认为，理想的作用模型， 不仅要解释活性元素对氧化膜粘附性的改善，同时还应该能够解释对氧化膜生长速度的抑制m 。 2 2 晶界扩散效应 同活性元素一样，人们很早就注意到细化晶粒能够提高材料的抗氧化性能，对此较为统一的观点 是相对于晶粒内部，晶界是元素快速扩散的通道，有助于氧化膜的快速形成和愈合，而细化晶粒 为涂层提供了更多的扩散通道一晶界。同时晶界扩散效应受元素含量和工作温度的影响，女H P i n t 对不同A 1 含
9、量的a - N i g l 的循环氧化行为进行了研究，发现在1 1 0 0 。C 1 2 0 0 ，A 1 的含量实际上对 氧化膜的剥落并没有产生显著影响”J 。另外，王福会在研究了纳米晶粒的高温涂层后认为，涂层 的纳米晶中大量晶界的存在具有类似稀土元素的活性效应，能够促进高温涂层的选择性氧化，提 高氧化膜的粘附性w 。 2 j 结构优化 为了改善热障涂层与基体间的粘附性，保持热障涂层的稳定，在M C r A l X 粘结层和陶瓷层双层结构 的基础，人们又开发了梯度过渡和微层叠加的涂层结构。 梯度结构的设计借助成分、微结构、物性呈连续陛渐变的特点，使涂层从表面的陶瓷材料渐变为 基体的金属材料，
10、提高涂层与基体的结合力，减少内部应力。胡望宇等研究了z r 0 2 f l q i 系2 6 层阶 梯热障涂层在火焰喷烧和水淬条件下的抗热冲击能力，前者随着层数的增多而增强，后者则相反 l 1 0 1 。 微叠层由多层的陶瓷和合金叠加而成，利用纳米级层间距对层内晶粒和层问材料的效应增强涂层， 改善性能，是颗粒、纤维增强向层片状增强的发展。对c 蚶妯删叠层的研究显示随着层厚的 减小，室温断裂强度升高，但韧性有所降低“”。Y S Z A 1 2 C h 组成的热障涂层，在纳米化以后，导热 系数大约降低一个数量级“日。但微叠层存在层间扩散严重，制备工艺繁杂等缺点。 3 高温涂层制备技术的发展 涂层制
11、备技术是决定涂层性能的关键因素之一。气相沉积、溶胶凝胶、热喷涂、电沉积等类属的 各种膜层制备方法，在高温涂层的制备中均有研究报道，其中常用或具有发展潜力的主要有如下 摹女石奎曩表面工程学术1 嵌 兰州2 0 0 6 年8 月 如下几种方法： 3 1 扩散渗镀 虽然热喷涂、气相沉积等方法也可以用来制备铝化物涂层，但扩散渗镀以其经济、简便的优 点在工业生产中得到广泛应用，这也是铝化物涂层在工业应用中所占比重过半的重要原因之一 如蚴5 钢合金表面渗镀铝化物的抗氧化和抗热腐蚀性能与不锈钢相当“”。当前扩散渗镀的研究主 要集中在F c A l 金属间化合物方面，通过添加s i 等合金元素或稀土元素改良涂
12、层0 1 。 3 2 等离子喷涤( P s ) 在等离子喷涂时，雾化的微熔滴冲击基体表面并凝固，又受到后续微熔滴的冲击和在其表面 的凝固，形成片层状结构这种结构中虽然存在较多的孔隙和裂纹导致涂层弹性模量下降，粗糙 度较高，但经济、简单实用，可制备较厚的涂层，且成分可控有利于梯度涂层的制备。如s h 等人 在不同基体上，用空气等离子喷涂( C o - 3 2 N i 2 2 C r - 1 2 A 1 - 0 7 5 Y - 1 5 S i 为粘结层) 与电子柬物理气相 沉积( 粘结层为铂铝化合物加渗铝层) 制备了钇稳定的氧化锆热障涂层，7 5 0 。C 热循环对比实验表 明，前者耐热循环的次数
13、远远大于后者，为等离子喷涂在燃气轮机等工作时间较长的设备上的应 用，提供了有力的支持“w 。 3 3 电子束物理气相沉积( E B - P V D ) 与P s 技术相比，E B - P V D - 需要把涂层材料气化，在基体表面通过形核和长大，形成柱状晶的 涂层结构，虽然工艺复杂、成本高，但足够的应变容限使其有较好的抗热冲击性能。美国惠普公 司对9 0 第一级涡轮叶片的飞行试验证实，由P S 制备的热障涂层经过1 5 0 0 h 飞行后就已破坏，但是 E B - P V D 制备的热障涂层经过5 0 0 0 h 后，仍处于良好状态。使得E B P V D 成为航空工业中最有发展 潜力的制备技
14、术之一I l “。 另外，P S 和P 、，D 技术都只适用于简单结构的部件，而涂层微观结构与m 相同，成本较低的化学 气相沉积技术( C V D ) ，却可以用于结构复杂的部件，对上述两种技术构成了较强的竞争力。 3 锢控溅射 溅射镀膜f l o 是通过高能粒子轰击固体表面，使得固体中原子飞溅出来并在基体表面冷凝成膜。 磁控溅射技术通过加装了与电场正交的磁场，减少电子对基底的轰击，降低了基底温度，提高了 溅射镀膜的效率，且具有沉积速度快，能够制备柱状纳米晶涂层的特点，在溅射技术中发展前景 较好。磁控溅射一般用：J = M C r A I X 等成分复杂涂层的制备。 此外，用激光熔覆、燃烧合成
15、等技术制备高温涂层也取得一些进展。R o s a r i oV M 【1 7 1 等人利用燃 烧合成的方法制备了N i 业1 ，A 1 她椰B 2 梯度热障涂层，以2 0 0 C m i n 在3 0 0 “ C 1 1 0 0 。C 温度区间热循 环l o 次，涂层未见任何破坏。有限元的计算表明，虽然理论厚度大于Y S Z 系涂层，但是层问热失 配和热应力得到有效的缓解。阮子文等人用激光熔覆的方法成功制备了硅化物高温涂层。 4 发展和展望 铌合金、钽合金和钛合金等新型高温材料的发展和应用，要求人们研发耐热温度更高，性能 更好的高温涂层【1 ”。同时，工业生产和可持续发展也要求发展经济、高效、
16、环保的制备技术。迎 合社会发展的需要，前M o - $ i ，砸_ A l 、N b 枷等新型中间化合物，金属陶瓷、陶瓷聚合物等新 型高温涂层正在研究和开发1 1 9 刎。改进的和复合化高温涂层制备思想、制备技术也不断涌现。高 温涂层作为一种经济、有效的表面改性手段，必将在社会发展和工业生产中发挥更大的作用。 参考文鼓 【1 】谢冬柏，王福会热障涂层研究的历史与现状【J 】材料导报，2 0 0 2 ，1 6 ( 3 ) ：7 【2 】林栋梁高温有序金属间化合物研究的新进展【J 】上海变通大学学报，1 9 9 8 0 2 ) ：9 5 第六届叁碡表面工租学术套截 兰州2 0 0 6 年8 月 【1 1 】刘培生铝化物高温防护涂层的现状【J 】稀有金属材科与工程，2 0 0 3 ，3 2 ( 9 ) ：6 8 1 【4 】崔李苹，李呈，杨世伟等硅元素对镶基合金A 1 - S i 涂层抗高温氧化性能的影响【J 】金属材科研 究，2 0 0 4 ，3 0 ( 3 ) ：3
