根據高（gāo）溫塗層的發展曆史，可將其分為以下三類：擴（kuò）散塗層、包覆塗層和（hé）熱障塗層。為了進一步提高渦輪發動機的工作效率，並達到節能減排（pái）的目的（de），就要提高發動機（jī）的進口溫（wēn）度，因此，科學工作者們不斷（duàn）致力於（yú）研（yán）發更先進的材（cái）料、塗層（céng）體係及製備技（jì）術，例如研製出的（de）第（dì）四代鎳基單晶高溫合金的（de）承溫能力已達1180℃。相應地，對高溫防護塗層也提出了更高的要（yào）求，湧現出多種具有獨特設計理念的新型高溫防護塗層。下文將對常（cháng）用的以及幾種特色高溫防（fáng）護塗層進行介紹（shào）。

2       常用高溫防護塗層

2.1      擴散塗層

擴散塗層是經（jīng）擴散滲過程使一（yī）些抗氧化性元素進入基體表麵，和基（jī）體元素反應生成金屬（shǔ）間化合（hé）物來（lái）提高合金的（de）抗氧化性能。常見的擴散元素有Al、Cr、Si等。擴散塗層的典型代表是滲鋁塗層和改性的滲鋁塗層（céng），這些塗（tú）層在氧化時生成Al2O3，對基體有較好的（de）保（bǎo）護作用。

擴（kuò）散鋁化物（wù）塗層最早在 1911 年由 Van Aller 在美國專利（lì）中闡述，采用粉末包埋法（fǎ）製備，從20世紀50年代開（kāi）始應用於鈷基導（dǎo）向葉片，60年代應用於鎳基高溫合金動片，是工（gōng）業應用最（zuì）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中，樣品埋入滲劑粉末中，滲劑由（yóu）鋁源（yuán）粉（fěn）末、鹵化物活化劑和填料組成，鋁源粉末可以是金屬Al或適合的合金粉，填（tián）料通常為惰（duò）性（xìng）的Al2O3。滲劑一般含有2%~5%的活化劑，例如氯化銨（ǎn），25%的鋁源，剩下的為填料。加熱時（shí）活化劑在滲劑中揮發，與鋁源反應生成揮發（fā）性的塗層金屬的化合物。揮發性的物（wù）質向（xiàng）基材表麵擴（kuò）散，並在那裏發生沉積反應。滲鋁時須通入氬氣等保護性氣體，以免（miǎn）鋁源和金屬基材被氧化。

該方法製備出來的滲層均勻，適用於複雜外（wài）形零件的滲鋁。且成本低，質量穩定但也存在不少（shǎo）缺點（diǎn），例（lì）如，耐（nài）熱腐蝕性能差，塗層脆性大、退化速度快等，為了改善鋁化物（wù）塗層的性能，減緩（huǎn）其在使用過程中的退（tuì）化，從20世紀70年代起，發（fā）展了眾多改性的鋁化（huà）物塗層，例如在鋁化物中加（jiā）入鉻、矽、鉑和稀土元素等。在塗層（céng）中加（jiā）入Cr、Si可以顯著提高塗層（céng）的抗熱腐蝕性能，減緩因塗層和基材互擴散引起的退化。在改進型鋁化物塗層中，Pt-Al塗（tú）層的改性效果最明顯。研究表明，Pt改性鋁化物塗層的抗氧化性能是單（dān）一鋁化物塗層的（de）2~5倍。Pt提高了Al2O3膜（mó）的（de）抗剝落和自愈（yù）能力，增加了鋁化物（wù）塗層（céng）的組織（zhī）穩定性，降低了塗層與基體之間的互擴散。

2.2      包覆塗層

包（bāo）覆塗層（céng）是指（zhǐ）利（lì）用物理或化學手段使（shǐ）塗層材料在合金表麵直接沉（chén）積（jī）而形成的塗層。包覆（fù）塗層與擴散塗層的明（míng）顯不同是塗層沉積時隻與基材發生能夠 提高塗層結合力的相互作用，基材不參與塗層的形（xíng）成，因此塗層成分（fèn）的選擇更具有多樣性。包覆塗層（céng）可以是金屬（shǔ）塗層和陶瓷塗層等（děng），其中最典（diǎn）型的（de）是（shì）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（xì）列的塗層體係，其中M為Fe，Co，Ni或它們的組合，Al用來（lái）形成保護性的Al2O3膜，Cr用來促進氧化膜的形（xíng）成，並（bìng）提高抗熱（rè）腐蝕能（néng）力，Y用來提高氧化（huà）膜的（de）附著力，塗層中還可（kě）通過添加Hf，Si，Ta，Re，Zr，Nb等元素中的一種或（huò）多種以滿（mǎn）足一些特定的應（yīng）用需求。下表總結了一些（xiē）商用MCrAlY塗層的成分及沉積方法。通常，沉積的MCrAlY塗層厚（hòu）度在125~200μm，成本約（yuē）為傳統鋁化物（wù）塗層（céng）的2~4倍。

表1 典型（xíng）商用MCrAlY塗層的（de）成分及沉積方法（fǎ）

 

2.3      熱障塗層

圖2所示為一種渦（wō）輪葉片用熱障塗層（céng）的典型結構。熱障塗層（TBCs）是由陶瓷隔熱麵層和（hé）金屬（shǔ）粘結層組成（chéng）的塗層體係。陶瓷塗層導熱性差，可以阻礙（ài）熱量向基體（tǐ）內部的傳（chuán）輸，降低（dī）熱端部件的使用溫度。ZrO2由於具有較低的導熱係數、較高的熔點以（yǐ）及優良的（de）力學性能是研究最（zuì）多的熱（rè）障塗層成分。但由於ZrO2具有幾種不同的結構，其在溫度變化（huà）時發生相轉變使得塗層承（chéng）受應力，因此需要加入穩定劑，避免箱變。研究發現，8%Y2O3部分穩定的ZrO2（Y-PSZ）具有高熔點，高溫穩定性、低熱導率及與基體材料最為（wéi）接近的（de）熱膨脹率而成為陶瓷隔熱層（céng）的（de）首選材料。但陶（táo）瓷和合金基體的熱膨脹（zhàng）係數相差較大，當溫（wēn）度變（biàn）化時，塗層內會（huì）產生較大熱應力且陶瓷層對基體的氧化不具備阻（zǔ）擋作用。為改善二者（zhě）之間熱膨脹係數（shù）的不匹（pǐ）配同時提高基體的抗氧化性能，在合（hé）金基（jī）體和陶瓷層之（zhī）間施加一層金屬粘結層，常用的金屬粘結層有MCrAlY和Pt改性的鋁化（huà）物塗層。

熱障塗層（厚度100~400μm）和（hé）合金基體內通道冷卻的使用可以降低（dī）熱端部件的表麵溫度100~300°C，使得現代（dài）燃氣輪機葉片的使用溫度提高至高溫合金基體熔點（~1300°C）之（zhī）上。目前，TBCs應用麵（miàn）臨的主要挑戰是塗層的耐久性，尤其是塗層（céng）抗（kàng）剝落的能力。

 

圖2 電子束物理氣相沉積方法製備渦（wō）輪葉片用熱障塗層的（de）典型結構

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（wēn） 氧化等（děng）學科的（de）一些基本理論引入塗層設計中，形成了獨特的高溫塗層體係。

3.1      高溫微晶（jīng）塗層

樓（lóu）翰一和王福（fú）會等發展了一種全新的高溫合金防護（hù）塗層——高溫合金 微晶塗層。與傳統的高溫防護塗層不同，微晶塗層與（yǔ）基體合金成分完（wán）全相同，因此避（bì）免了在高溫下塗（tú）層（céng）與基體的互擴（kuò）散而引起的力（lì）學性能下降，而同時，塗層晶粒尺寸在（zài）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

功能（néng）梯度塗層是功能梯度材料（FGM）的設計理念（niàn）在塗層/基體係（xì）統中的應用。功能梯度材料的基本思（sī）想是將兩種或以上不（bú）同材料製備成在一定方向成分（或/和（hé）結構）梯度分布的複合材料，使得材料具備非梯度結構達不到的功能。高溫防護塗層中研究最多是功能梯度（dù）熱（rè）障塗層。如前所述，熱障塗層由8%Y2O3-ZrO2陶瓷（cí）頂層和MCrAlY金屬粘結層組（zǔ）成，陶瓷和金屬（shǔ）材料性質的不匹（pǐ）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（jiān）製備梯度塗層，使得層中（zhōng）陶瓷和金（jīn）屬成分沿厚度方向呈梯度變化來緩和陶瓷/金屬界麵的不匹配。雖然目前結果並不很（hěn）盡人意（yì），但在這方麵（miàn）的（de）探索還一直在繼續。

3.3      搪瓷塗層（céng）

搪瓷就是在（zài）金屬表麵塗燒一層或多層的非金屬無機（jī）材料，高溫搪燒時，金屬和（hé）無機材料在高溫下發生適當的物理化學反應，在界麵形成化學（xué）鍵（jiàn），使塗層與基體材料能牢固結合成為（wéi）一個整體。搪瓷塗層熱膨脹係數可調，並且熱化學穩定性高、結構致密、抗（kàng）腐蝕性（xìng）能優異；同時，塗層製備工藝簡單，成本低廉（lián）；而（ér）且作為一種惰性抗（kàng）高溫腐蝕塗（tú）層，沒有傳統高溫塗層的抗氧化組（zǔ）元消（xiāo）耗等問題；因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（shēn）脆性較大的缺點，有研究者在搪瓷中添加NiCrAlY金（jīn）屬粉對搪瓷進行改（gǎi）性，製備（bèi）了具有優異抗熱震性能（néng）的新型金屬複合搪瓷。

高溫防護塗層（céng）在技術上具有很大的潛力和良（liáng）好的發展前景，其有待（dài）解決的問題仍然是（shì）如何在抑製塗層（céng）與基體材料（尤其是單晶高溫合金）互擴散的同時提高塗層（céng）的（de）抗氧化腐蝕性能（néng），這些還需要科研工（gōng）作者們的共同努力。