根據高溫塗層的發展曆史，可將其分為以（yǐ）下三類：擴散塗層、包覆塗層和熱障塗層。為了進一步提（tí）高渦輪發動機的工作效率，並達到（dào）節能（néng）減排的目的（de），就要提高發動（dòng）機的進口溫度，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，例如研製出的（de）第（dì）四代（dài）鎳基單晶高溫合金的承溫能力已達1180℃。相應地，對高溫防護（hù）塗層也提出了更高的（de）要求，湧現出多（duō）種具有獨特設計理念的新型高溫防護塗層。下文將對（duì）常用的以（yǐ）及幾種特色高溫防護塗層進行介紹。

2       常用高溫防護（hù）塗層

2.1      擴散塗層（céng）

擴（kuò）散（sàn）塗層是經擴散滲過程使一些抗氧化性元素進入基體表麵，和基體元素反應生成金屬間化合物來提高合金的抗氧化性能（néng）。常見的擴散（sàn）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層，這些塗層在氧化時生成Al2O3，對（duì）基體有較好的保護作用。

擴散鋁（lǚ）化物塗層最（zuì）早在 1911 年由 Van Aller 在（zài）美國（guó）專利中闡述，采用粉（fěn）末包埋法製備（bèi），從20世紀50年代開始應用於鈷基（jī）導向葉片，60年代應用於鎳基（jī）高溫合金動片，是工業應用（yòng）最早且應用範圍（wéi）最廣的高溫防護塗層。

在粉末包埋滲鋁方法（fǎ）中，樣品埋入滲劑粉末中（zhōng），滲劑由鋁源（yuán）粉末、鹵化物活化劑和（hé）填料組成，鋁源粉末可以是金屬Al或適合的合金粉，填料通常為惰性的Al2O3。滲劑一（yī）般含有2%~5%的活化（huà）劑，例如氯化銨，25%的鋁源，剩下的為填料。加熱時活化劑在滲劑中揮發，與鋁源反應生成揮發性的塗（tú）層金屬的化（huà）合物。揮發性的物質向基材表麵擴（kuò）散，並（bìng）在那裏發生沉積反應。滲鋁時須通入（rù）氬（yà）氣等保護性氣體，以免鋁源和金屬基材被氧化。

該（gāi）方法製備出來的滲層均勻，適用於複雜外形零件的滲鋁。且成本低，質量穩定但也存在不少缺點（diǎn），例如（rú），耐熱腐蝕性能差，塗層脆性大、退化速度快（kuài）等，為了改善（shàn）鋁（lǚ）化物塗層的性能（néng），減緩其在使（shǐ）用過程（chéng）中的退化，從20世（shì）紀70年代起，發展了眾多改性的鋁化物塗層，例如在鋁化物中加入鉻、矽、鉑和稀土元素等。在塗層中加入Cr、Si可以顯著提高塗（tú）層的抗熱腐蝕性能，減緩因塗層和基（jī）材互擴（kuò）散引起的退化。在改進型鋁化物塗層中，Pt-Al塗層的改性效果最明顯。研究表明，Pt改性鋁化物（wù）塗層的抗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，增加了鋁化物塗層的（de）組織穩定性，降低了塗（tú）層與基體之間（jiān）的互（hù）擴散（sàn）。

2.2      包覆（fù）塗（tú）層

包覆塗層是指（zhǐ）利用物理或化學手段使塗層（céng）材料在合金表麵直接沉積而形成的塗層。包覆塗層與（yǔ）擴散塗層的明顯不同（tóng）是塗（tú）層沉（chén）積時隻與基材發（fā）生能夠 提高塗層結合力的相互作用，基材不參與塗層的形成，因此塗層成分的選擇更具有（yǒu）多樣性。包覆塗層可以是金屬塗層和陶瓷塗層等，其中最典型的是MCrAlY包覆塗層。製備這類塗層的技術多樣，包括物理氣相沉積、熱噴塗、激光熔覆等。

MCrAlY包覆塗層於20世紀70年代發展起來，現已發展成一係列的塗層體係，其中M為Fe，Co，Ni或它們的組合，Al用來形成保護（hù）性的（de）Al2O3膜，Cr用（yòng）來促進氧化膜的（de）形成，並提高抗熱腐蝕能力，Y用（yòng）來提高氧化膜的附著力，塗層中還可通過添加（jiā）Hf，Si，Ta，Re，Zr，Nb等元素中（zhōng）的一種或多種以滿足一些特定的應用需求。下（xià）表總結了（le）一些商用MCrAlY塗層（céng）的成分及沉積方（fāng）法。通常，沉積的MCrAlY塗（tú）層厚度在125~200μm，成（chéng）本約為傳統（tǒng）鋁化物塗層的2~4倍。

表1 典型商用MCrAlY塗層的成（chéng）分及沉積方法

 

2.3      熱障塗層

圖2所示為一種渦輪葉片用熱障塗層的典型結（jié）構。熱障（zhàng）塗層（TBCs）是由陶瓷隔熱麵層和（hé）金（jīn）屬粘結（jié）層組成的塗層（céng）體係。陶瓷塗層導（dǎo）熱性差（chà），可（kě）以（yǐ）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（yóu）於具有較低的導熱（rè）係數、較高的熔點以及（jí）優良的力學性能是研究最多的熱障（zhàng）塗層成（chéng）分。但（dàn）由於ZrO2具（jù）有幾種不同的結構，其在溫度變（biàn）化時發（fā）生相轉變使（shǐ）得（dé）塗層承受（shòu）應力，因此需要加入穩定劑，避免箱變。研究發現（xiàn），8%Y2O3部分穩定的ZrO2（Y-PSZ）具有高（gāo）熔點，高溫穩定性（xìng）、低熱導率及與基（jī）體材（cái）料最為接近的熱膨脹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（shù）相差較大，當溫度變化時，塗層內（nèi）會產生較大熱應力且陶瓷層對基體的氧（yǎng）化不（bú）具備阻擋作用。為改善二者之間熱膨脹係（xì）數的不匹（pǐ）配同時提高基體的抗（kàng）氧化性能，在（zài）合金基體和陶瓷層之間施加一層金屬粘結層，常用的金屬（shǔ）粘結層有MCrAlY和（hé）Pt改性的鋁（lǚ）化物塗層。

熱障塗層（厚度100~400μm）和合金基體內通道冷卻的使用可以降（jiàng）低熱端部件的（de）表麵溫度100~300°C，使得現代燃氣輪機葉片的使用（yòng）溫度提高至高溫合金基體熔點（~1300°C）之上。目前，TBCs應用麵臨的主要挑戰是塗層的耐久性，尤（yóu）其（qí）是塗層抗剝落（luò）的能力。

 

圖2 電子束（shù）物理氣相沉積方法製備渦輪葉片用熱障塗（tú）層的典型結構

3       特色高溫防護塗層

這類塗層將材料學、物理化（huà）學、固體擴散、高溫 氧化等學科的一些基本理論（lùn）引入（rù）塗層設計中，形成了獨特的高溫塗層（céng）體係。

3.1      高溫微晶（jīng）塗層

樓（lóu）翰一和（hé）王福會等發展了（le）一種全新的高溫合金防護塗層——高溫合金 微晶（jīng）塗層。與傳統（tǒng）的高溫防（fáng）護塗層不同，微晶塗層（céng）與基體合金成分完（wán）全相同，因此避免了在高溫下塗層與基體（tǐ）的互擴散而引起的力學（xué）性（xìng）能下降，而同時，塗層晶粒尺寸在（zài）20~100 nm，不（bú）僅可以（yǐ）促進A1的選擇性氧化，還可以提高（gāo）氧化膜的粘附性。

3.2      功能梯度塗（tú）層

功能梯（tī）度塗層（céng）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將兩種或以（yǐ）上不同材料製備成在一定方（fāng）向成（chéng）分（或/和結（jié）構）梯度分（fèn）布的複合材（cái）料，使得材料具備非梯度結構達不（bú）到的功能。高溫防護塗層中研究最多是功能梯度熱障塗層（céng）。如前所述，熱障塗層由8%Y2O3-ZrO2陶瓷頂層和（hé）MCrAlY金屬粘（zhān）結層組（zǔ）成，陶瓷和金（jīn）屬（shǔ）材料性質的（de）不匹配導致（zhì）熱循環過程（chéng）中陶瓷層剝落，通過等離子噴塗等方法在陶（táo）瓷頂（dǐng）層和金屬粘結層之間（jiān）製（zhì）備梯度塗層，使得（dé）層中（zhōng）陶瓷（cí）和金屬成分沿厚度方（fāng）向呈梯度變化來緩（huǎn）和陶（táo）瓷/金屬界麵的不匹配。雖然目前結果並不很盡人意，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（duō）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（shēng）適當的物理化學反應，在界麵（miàn）形（xíng）成化學鍵，使塗層與基體材料能（néng）牢固結合成為一個整體（tǐ）。搪瓷塗層熱膨脹係數可調，並且熱（rè）化學穩（wěn）定性高、結（jié）構致密、抗腐蝕性能優異；同時（shí），塗層製備（bèi）工藝（yì）簡單，成本（běn）低廉；而且（qiě）作為一種惰性（xìng）抗高溫腐蝕（shí）塗層，沒有傳統（tǒng）高（gāo）溫塗層的抗氧化組元消（xiāo）耗等問題（tí）；因（yīn）此作為一種長壽命耐蝕塗層有很好的應用前景。針對搪瓷本身脆（cuì）性較大的缺點，有研究者在搪瓷（cí）中（zhōng）添（tiān）加NiCrAlY金屬粉對（duì）搪瓷進行改（gǎi）性，製備了（le）具有優異抗熱震性能的新（xīn）型金屬複合搪瓷。

高溫防護塗層在技（jì）術上具有很大的（de）潛力和良好的發展前景，其有待解決的問題仍然是如何（hé）在抑製塗層與基體材料（尤其是單晶高溫合金）互擴散的同時提（tí）高塗層的抗氧化腐蝕性能，這些還（hái）需要科研工作者們的共同努（nǔ）力。