摘要：北京科技大学材料科学与工程学院的科研人员综述报道了涡轮叶片热障涂层沉积机理及关键性能评估研究进展。相关论文以“Progress in the Deposition Mechanisms and Key Performance Evaluation of The
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北京科技大学材料科学与工程学院的科研人员综述报道了涡轮叶片热障涂层沉积机理及关键性能评估研究进展。相关论文以“Progress in the Deposition Mechanisms and Key Performance Evaluation of Thermal Barrier Coatings for Turbine Blades: A Review”为题发表在《Acta Metallurgica Sinica (English Letters)》上。
热障涂层（TBC）因其优异的性能，包括低导热性、耐腐蚀性、耐高温氧化性和耐磨性，被广泛应用于航空发动机和重型燃气轮机。发动机热段推重比和使用温度的不断升高对TBC 的材料、结构和制备工艺提出了巨大挑战，也是当前航空领域的研究热点之一。本文综述了涡轮叶片TBC的最新进展。重点介绍了涡轮叶片TBC的结构、沉积机理以及TBC应用于涡轮叶片的关键性能评估指标。最后，还对涡轮叶片TBC的未来研究领域进行了展望。
图1TBC的发展历程
图2a第一级涡轮叶片（TBC），b第二级涡轮叶片（TBC）
图3a含有TBC的镍基高温合金的截面显微组织，b镍基高温合金的显微组织示意图
图4典型的TBC结构
图5涡轮发动机的TBC进展和制备方法（APS、EB-PVD、PS-PVD）
图6 PS工艺示意图
图7a SPS涂层沉积机理示意图，b SPPS涂层沉积机理示意图
图8 EB-PVD 技术工作原理
图9 PS-PVD工艺示意图
图10 PS-PVD中准柱状涂层的沉积模型
图11等离子射流中的三柱区和多重沉积的空间分布
图12 TBC主要评价指标
图13各种涂层的粘结强度
TBC方法是发动机涡轮叶片热保护的一种非常有效且不可替代的手段。目前，由于航空发动机的快速升级换代，TBC已不能满足下一代航空发动机涡轮叶片在高推重比、高热效率和高稳定性方面的发展要求。因此，TBC未来的研究趋势主要包括以下五个方面：
1.新型涂层材料的开发：未来发展的重点是新型陶瓷材料的探索，如高熵合金、新型多相复合陶瓷材料以及其他氧化物和非氧化物陶瓷材料。与主要使用YSZ的传统TBC相比，这些创新材料具有显著的改进。例如，基于YSZ的传统TBC在高温下会因相变和有限的隔热能力而导致性能下降。相比之下，高熵合金和多相复合陶瓷材料的设计可提供更低的热导率，在极端温度下表现出卓越的热保护性能并保持更好的相稳定性。此外，这些新材料还具有更强的抗热冲击和抗机械冲击性能，解决了传统TBC在高压力环境下的缺陷。改用这些先进材料还能使涂层承受更高的工作温度，从而提高发动机的整体效率和使用寿命。
2.涂层结构的优化：传统的TBC通常采用整体结构，虽然能有效隔热，但在处理不同的热负荷和机械负荷时往往表现出局限性。目前，梯度涂层和自修复涂层的设计和应用已引起越来越多的关注。梯度涂层通过调整不同层的成分和结构，使材料性能逐渐过渡，从而达到增强热保护的目的，减少了陶瓷面层与金属基材之间的不匹配，提高了整体性能和使用寿命。自修复涂层在涂层中加入特定材料来促进涂层在高温下的自我修复，从而提高涂层的耐久性。与传统的整体式TBC相比，这两种先进的涂层结构可以弥补均质材料性能的不足。
3.制造技术的优化和创新：高效的制造技术是生产高性能TBC的关键。虽然PS、EB-PVD 和 PS-PVD等广泛使用的技术已经取得了显著成功，但它们仍然存在一定的局限性。这些方法需要进一步开发和优化，提高涂层的整体性能，从而更好地适应现代涡轮发动机日益苛刻的工作条件。
4.寿命预测和智能监测：随着材料和制备技术的进步，对TBC寿命的准确预测和实时监控变得越来越重要。过去，寿命预测和状态监测的方法仅限于经验测试和定期检查，往往缺乏实现最佳性能所需的精确性和及时性。目测检查和人工测量等传统技术不仅耗时，而且无法提供有关涂层状况的连续或实时数据。然而，通过开发先进的模型和模拟技术，以及集成传感器和智能监控系统，可以对涂层的温度、应力、裂缝状态和剥落情况进行实时监测。这样就能更好地预测涂层的使用寿命，从而提高运行效率和可靠性。
5.环保性和可持续性：随着环保意识的提高，开发高效且环保的TBC材料和工艺也成为研究的重点。传统的TBC通常由YSZ等陶瓷材料组成，虽然具有优异的热性能，但在生产过程中需要消耗大量能源，给环境带来了挑战。如果能将环境保护和资源节约融入到材料和工艺的开发中，不仅能提高TBC的环保性，还能增强其在实际应用中的可持续性。未来的TBC 将能在满足性能要求的同时，更好地兼顾生态因素和资源利用。
总之，未来TBC技术的发展将侧重于材料的创新、结构设计的优化、制备技术的进步、智能化和寿命预测以及环境因素。这些进步将为涡轮叶片等关键部件提供更高效、更可靠的保护，从而促进航空和能源行业的可持续发展。
论文链接：
Fu, Y., Yao, Z., Chen, Y. et al. Progress in the Deposition Mechanisms and Key Performance Evaluation of Thermal Barrier Coatings for Turbine Blades: A Review. Acta Metall. Sin. (Engl. Lett.) (2024). https://doi.org/10.1007/s40195-024-01799-6
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