河北工业大学硕士学位论文
i 热障涂层TGO 生长机制与涂层失效机制的研究
摘 要
本文应用了国际先进的等离子喷涂（APS）设备、国内先进的超音速火焰喷涂设备以及超音速冷气喷射陶瓷颗粒轰击金属过渡层表面工艺制备热障涂层。依据航空标准制定了高温氧化试验与热震试验方案，利用SEM、XRD 及EDS 等检测手段系统、深入、完善地分析了热障涂层惹生长氧化层TGO 的生长过程，明确揭示了TGO 的生长机制；同时，细致分析了热障涂层的失效过程，并结合TGO 的生长过程与生长机制研究了导致热障涂层失效的影响因素。为更加深入的研究热障涂层实际服役条件下热生长氧化以及涂层的失效现象打下坚实的基础。结果表明：
金属过渡层的氧化在界面反应机制与元素扩散机制的双重作用下，生成了具有双层结构的热生长氧化层（TGO）。氧化初期受界面反应机制控制，迅速生成了由Al 2O 3、NiO、尖
晶石类氧化物构成的混合氧化物层；而在氧化后期，以界面元素扩散为主导机制下，Al 元素缓慢扩散到界面处氧化生成单一的Al 2O 3层，同时在金属过渡层表面以下形成了一层极薄
的贫Al 带。
超音速火焰喷涂以及超音速冷气喷射陶瓷颗粒轰击金属过渡层表面工艺的应用有效改善了热障涂层金属过渡层的表面形貌，抑制了氧化过程中有害氧化物的产生，减少了原始形态与实际应用过程中缺陷的产生，有利于提高热障涂层的使用寿命。
煲冬瓜在热障涂层由微裂纹的产生长大，到扩展贯通，再到剥离脱落的整个失效过程中，界面缺陷、界面元素的扩散、Al 2O 3的相变收缩产生的孔洞以及硬脆相尖晶石类氧化物在应力
作用下导致的微裂纹，在热障涂层实际应用的环境中都将成为导致涂层最终失效的影响因素。
关键词：热障涂层，等离子喷涂，超音速火焰喷涂，惹生长氧化层，生长机制，失效机制
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河北工业大学硕士学位论文
第一章绪论
§1.1 前言
随着燃气机和内燃机输出功率与效率的不断提高，其工作温度也在不断攀升，因此对其中的高温部件(
对支部班子的意见和建议
如叶片、燃烧室等)提出了越来越高的耐高温要求。但是迄今世界上性能最好的耐高温金属材料所能长期承受的工作温度均不超过1000℃，而且目前先进的燃气发动机组的进口温度已高达1700℃，叶片等高温部件的工作温度也为1200℃[1～4，6，8]。为解决此难题，目前国际上通用的最为有效、经济和可行的方法是在工件表面热喷涂具有耐高温氧化和隔热功能的热障涂层，以此来保护叶片等高温部件不受过高温度的侵蚀，提高其使用寿命。据报道，目前美国几乎所有的陆用和船用燃气轮机都采用了热障涂层，每年约有300t氧化锆材料用在热障涂层上，在未来10年中热障涂层将达到12%的年增长率，其中在发动机部件中的年增长率将达到25% ，具有广阔的应用开发前景[5，7，10]。
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热障涂层的多种优异性能[9，11～13]，已引起国内外学者专家的密切关注，一些初步的研究结果也证实了热障涂层良好的应用前景。除了现在已经成功应用于航空发动机外，还将扩大应用于地面燃机、汽车和摩托车的发动机中。陶瓷涂层的主要功能是在高温载荷下，形成沿涂层厚度的高温度梯度，减弱向基底的传热。在热周期载荷环境下，涂层与基底间可以存在一定的温度差，使合金基底工作温度降低，提高材料抗热疲劳损伤和蠕变失效的耐久性。因此热障涂层材料逐渐应用在涡轮发动机的一些高温零部件上。为进一步开发热障涂层材料在推进器和发电厂涡轮机等装置上的应用潜力，在材料设计和制备中应充分考虑实际应用需求。事实上，热障涂层材料能否在工程中推广应用，并在未来材料科学迅猛发展时代迎接面临的新机遇和新挑战，取决于能否建立一套以实际需求为背景，对材料制备工艺和物理性能进行综合评价和分析的方法.这是未来设计寿命更长，工作气体温度更高，可靠性更好的新型涂层材料的主要研究方向，是更深层次认识热障涂层基本热力学性能的研究方法[14，15]。
§1.2热障涂层
我赚钱啦所谓热障涂层（Thermal Barrier Coatings，简称TBCs）是指由金属过渡层（Bond Coating，简
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