根據高溫（wēn）塗層的發展曆史，可將其分為以下三類：擴散塗層、包覆塗層和熱障塗層。為了（le）進一步提（tí）高渦輪發動機的工作效率，並（bìng）達到節能減排的（de）目的，就要提高發動機的（de）進口溫度，因此，科學工作者們不斷致力於研發更先進的材料、塗層體係及製備技術，例如研（yán）製出的第四代（dài）鎳基單晶高溫（wēn）合金的承溫能力已達1180℃。相應地（dì），對高溫防護塗層也提出了更高的要求，湧現出多（duō）種具有獨特設（shè）計理念（niàn）的新型（xíng）高溫防護塗層。下文（wén）將（jiāng）對常用的以（yǐ）及幾種特色（sè）高溫防護塗層進行介（jiè）紹。

2       常用高溫防護塗層

2.1      擴散塗層

擴（kuò）散（sàn）塗層是經擴（kuò）散滲過程使一些（xiē）抗氧化性元（yuán）素進入基體表麵，和（hé）基體元素反應生成金屬間化合（hé）物來提高合金的（de）抗氧化性能。常見的擴（kuò）散元素有Al、Cr、Si等。擴散塗層的典型代表是滲鋁（lǚ）塗層和改性的滲鋁塗（tú）層（céng），這些塗層在氧化時生（shēng）成Al2O3，對基體有較好的保護作（zuò）用。

擴散（sàn）鋁化物（wù）塗層最早在 1911 年由 Van Aller 在美國專利中闡述，采用粉末包埋法製備，從20世紀50年代開始應用於（yú）鈷基導向葉片，60年代應用於鎳基高溫合金動片，是工業應用最早且應用範圍（wéi）最廣的高溫防護塗層。

在粉末（mò）包埋滲鋁方（fāng）法中，樣品埋入滲劑粉末（mò）中，滲（shèn）劑由鋁源粉末、鹵化物活化（huà）劑和填料組成，鋁源（yuán）粉末可以是金屬Al或適合的合金粉，填料通（tōng）常為惰性的Al2O3。滲劑一般含有2%~5%的活化劑，例如氯化銨，25%的鋁源，剩下的為填料。加熱時活化（huà）劑在滲劑中揮發，與鋁源反應生成揮發（fā）性的塗層金屬的化合物。揮發性（xìng）的物質向基材表麵（miàn）擴散（sàn），並在那裏發生沉積反應。滲鋁時須通（tōng）入氬（yà）氣等保護性氣體，以免鋁源和金屬基材被氧化。

該方法製備出來的滲層均勻（yún），適用於複雜外形零件的滲（shèn）鋁。且成本低，質量穩定但也存在不少缺點，例如，耐熱腐（fǔ）蝕性能差，塗層脆性大、退化速度快等，為了改善鋁化物塗層的性能，減緩其（qí）在使用過程中的退化，從20世紀70年代起，發展了眾多（duō）改性的鋁化物（wù）塗層（céng），例如在鋁化物中加入鉻、矽、鉑和稀土元（yuán）素等。在塗層中（zhōng）加入Cr、Si可以顯著提高塗層的抗熱腐蝕性能，減緩因塗層和（hé）基材互（hù）擴散（sàn）引起的退化。在改進型鋁（lǚ）化物塗（tú）層中，Pt-Al塗層的（de）改性效果最明顯。研究表明，Pt改性鋁化物塗層的抗（kàng）氧化性能是單一鋁化物塗層的2~5倍。Pt提高了Al2O3膜的抗剝落和自愈能力，增加（jiā）了鋁化物塗層的組（zǔ）織穩定性，降低了塗層與基體之間（jiān）的互擴散。

2.2      包覆（fù）塗層

包覆塗層是（shì）指利用物理或化學手段使塗層材料在合金表麵直接沉積而形成的塗層。包覆塗層與擴散塗層的明顯不同是塗層沉積時隻與基材發生能夠 提（tí）高塗（tú）層結合（hé）力的相互作用，基材不參（cān）與塗層的形成（chéng），因此塗層成分的選擇更具有多樣性。包（bāo）覆塗層可以是金屬塗層和陶瓷塗層等（děng），其中最（zuì）典型的是MCrAlY包覆塗層。製備這類塗層的技術多樣，包（bāo）括物理氣（qì）相沉積、熱噴塗、激光熔覆等。

MCrAlY包覆塗層（céng）於20世紀70年代發展（zhǎn）起來，現（xiàn）已發展成一係列的塗（tú）層體係，其中M為Fe，Co，Ni或（huò）它們的組合，Al用（yòng）來形成保護性的Al2O3膜，Cr用來促進氧化膜的形（xíng）成，並提高抗熱腐蝕能力，Y用來提高氧化膜的附著力（lì），塗層中還可通過添加Hf，Si，Ta，Re，Zr，Nb等元素中的一種或多（duō）種（zhǒng）以滿足一些特定的應用需求。下表總結了一些（xiē）商用MCrAlY塗層的成分及沉積方法。通（tōng）常，沉積的MCrAlY塗層厚（hòu）度在125~200μm，成本約（yuē）為傳統鋁化物塗層的2~4倍。

表1 典型商用MCrAlY塗層的成分及沉積（jī）方法

 

2.3      熱障塗（tú）層

圖2所示為一種渦輪（lún）葉片用熱障（zhàng）塗層的典型結構。熱障塗層（TBCs）是由陶瓷隔熱（rè）麵層和金屬粘結層組成的塗層體係。陶（táo）瓷塗層導熱性差，可以阻礙熱量向基體內部的傳輸，降低熱端部件的使用溫度。ZrO2由於具有較低（dī）的導熱係數、較高的熔點以及優良的力（lì）學性能是研究最多的熱（rè）障塗層成分。但由於ZrO2具有（yǒu）幾種不同的結構，其在溫度變化時發生相轉（zhuǎn）變使得塗層承受（shòu）應力，因此（cǐ）需要（yào）加入穩定劑（jì），避免箱變。研究發現，8%Y2O3部分（fèn）穩定的ZrO2（Y-PSZ）具有高熔點，高溫穩定性、低熱導率及（jí）與基（jī）體材料最為接近（jìn）的熱膨脹（zhàng）率而成為陶瓷隔熱層的首選材料。但陶瓷和合金基體的熱膨脹係數相差較大（dà），當溫度變化時，塗層內會產生較大熱應（yīng）力且陶瓷層對（duì）基體的氧化不具備阻（zǔ）擋作用。為改善二者之間熱（rè）膨脹係數的不匹配同時提高基體（tǐ）的抗氧化性能，在（zài）合金基體和陶瓷層之（zhī）間（jiān）施加一（yī）層金屬粘結層，常用的金（jīn）屬粘結層有MCrAlY和Pt改性的鋁化物塗層。

熱障塗（tú）層（厚度100~400μm）和合金基體內通道（dào）冷卻的（de）使用可以降低熱端部件的表麵溫度（dù）100~300°C，使得現代燃氣輪機葉片（piàn）的（de）使用溫度提高至高溫合金基體熔點（~1300°C）之上。目前，TBCs應（yīng）用麵臨（lín）的主要（yào）挑戰是（shì）塗層的耐久（jiǔ）性，尤其是塗層抗剝落的能力。

 

圖2 電（diàn）子束物理氣相沉積方法製備渦輪葉片用熱障塗層的典型結構（gòu）

3       特色高溫防護塗層

這類塗層將材料學、物理化學、固體擴散、高溫 氧化等學科的一些基本理（lǐ）論引入塗層設計中（zhōng），形成了獨特的高溫塗（tú）層體係。

3.1      高溫微晶塗層

樓翰一（yī）和王福會等發展了一種全新的（de）高溫合金防護（hù）塗層——高（gāo）溫合金 微晶塗層。與傳（chuán）統的（de）高（gāo）溫防護塗層不同，微晶塗層與基體合金成分（fèn）完全（quán）相同，因此避免了在高溫下塗層與基體的（de）互擴散而引起的力學性能下降，而同時，塗層（céng）晶粒（lì）尺寸在20~100 nm，不僅可以促進A1的選擇性氧化，還可以提高氧化膜的粘附性。

3.2      功能梯度塗層

功（gōng）能梯度塗層是功能梯度材料（FGM）的設計理念在塗層/基體係統中的應用。功能梯度材料的基本思想是（shì）將（jiāng）兩種或以上不同材料製備成在一定方向成分（或/和結構）梯度分布的複合材料，使得材料具備非梯度（dù）結構達不到的功能。高溫防護塗層中研究最多是功能梯度熱障塗（tú）層。如（rú）前所（suǒ）述，熱障塗（tú）層由（yóu）8%Y2O3-ZrO2陶瓷頂層和MCrAlY金屬粘結層組成，陶瓷和金屬（shǔ）材料（liào）性質（zhì）的不匹配導致熱循環過程中陶瓷層剝落，通過等離子噴塗等方法在陶瓷頂層和金屬粘結層之間製備梯度塗（tú）層，使得層中陶瓷和（hé）金屬成分（fèn）沿厚度方（fāng）向呈梯度變（biàn）化來緩和（hé）陶（táo）瓷/金（jīn）屬界麵的不（bú）匹配。雖然目前結果並不（bú）很盡人意，但在這方麵的探索還一直在繼續。

3.3      搪瓷塗層

搪瓷就（jiù）是在金屬表麵塗燒一層或多層的非金屬無機材料，高溫搪燒時，金屬和無機材料在高溫下發生適當（dāng）的（de）物理化學反應，在界麵（miàn）形成化學鍵，使塗層與基體材料能牢固結合成為一個整體。搪瓷塗層熱膨脹係數可調，並且熱化學穩定（dìng）性高、結構致密、抗腐蝕性能優異；同（tóng）時，塗層製備工藝簡單，成本低廉；而且作為一種惰性抗高溫腐（fǔ）蝕塗層，沒（méi）有傳統高溫塗層的抗氧化組元消耗等問題；因此作為一種長壽（shòu）命耐蝕塗層有很（hěn）好（hǎo）的應用前景。針對搪瓷本身脆性較大的缺點，有研究者在搪（táng）瓷中添加NiCrAlY金屬粉對搪瓷進行改性，製備了具（jù）有優（yōu）異抗熱震性能的新（xīn）型金屬複合搪瓷。

高溫防護塗（tú）層在技術上具有很（hěn）大的潛力和良好的（de）發展前（qián）景，其有待解決（jué）的問題仍然是如何在（zài）抑（yì）製塗層與基體材料（尤其是單晶高溫合金）互（hù）擴散的同時提高塗層的抗氧化腐蝕性（xìng）能，這些還需要科研（yán）工作（zuò）者們的（de）共同努力。