氧化物陶瓷涂层的研究现状

氧化钇陶瓷涂层

Y₂O₃是一种白色粉末，不溶于水和碱，但溶于酸和醇，熔点较高（可达2410℃），常作为添加剂加入到磁性材料或陶瓷材料中。后被发现其在等离子刻蚀环境中有优良的耐刻蚀性能，从而被用于制备耐等离子刻蚀涂层。氧化钇涂层以其卓越的耐大功率等离子体侵蚀性能，脱颖而出，成为新型耐腐蚀材料的典范，展现了其在实际工程中的卓越性能。

氧化钇化学性能非常稳定，氧化钇与常见的CF系刻蚀气体反应，会生成YF₃。由于YF₃具有较低的蒸气压，其颗粒难以有效分散，因此不会造成对晶圆的污染。北京矿冶研究总院冀晓鹃等人对Y₂O₃涂层进行了等离子气体（CF₄/O₂）冲蚀测试，发现Y₂O₃涂层有着优良的耐蚀性。目前，众多国内外研究机构正积极投身于等离子喷涂技术的探索，致力于制备高纯度的氧化钇涂层，并对其性能展开深入研究。

氧化铝系陶瓷涂层

氧化铝陶瓷的硬度很高，其莫氏硬度可达到9。氧化铝陶瓷材料的熔点高，具有稳定的高温化学性能，较低的热导率，在常见的耐高温陶瓷涂层材料中其性能居于第二位，仅次于氧化锆。氧化铝陶瓷的电阻率以及介电常数比别的材料都大，同时它的绝缘强度达1069 V/ 0.1mm，所以氧化铝通常被用作绝缘涂层材料。氧化铝陶瓷作为一种中性氧化物，尽管热辐射率相对较低，却以其出色的光和高温辐射反射性能而著称。这种特性使得氧化铝陶瓷在人造卫星领域具有广泛的应用前景，特别是在需要耐日光照射以及背光保温涂层的场景中。钝氧化铝涂层存在高孔隙率的缺点。为改善其耐蚀性和绝缘性，实际生产中常采用封孔技术进行处理。

往氧化铝材料中加入其它氧化物材料，这样可以制得一系列以Al₂O₃为基的氧化铝复合材料。目前，热喷涂技术中广泛应用的氧化铝复合材料包括Al₂O₃-TiO₂、Al₂O₃-SiO₂、Al₂O₃-Cr₂O₃和Al₂O₃-MgO等。

其中，Al₂O₃-TiO₂具有良好的粘结性和韧性、较大的冲击载荷强度和硬度、相对摩擦系数较低以及优异的抗磨耐腐蚀性能，此外，适量添加TiO₂可以有效降低涂层的孔隙率，增强基体与涂层之间的结合强度，并显著提升涂层的耐磨性，从而提高涂层的整体性能。

氧化锆系陶瓷涂层

氧化锆（ZrO₂）粉末色泽洁白，其性质偏酸性，熔点高达2760℃，且热导率较低。这种材料能抵御大部分熔融金属和氧化物的侵蚀，但钛和碱金属除外。此外，它还能在高温的氧化或还原气体中保持稳定，对含二氧化硫、二氧化碳等高温燃气腐蚀也具有良好的耐受性。在热障涂层的应用中，纯ZrO₂粉末并不常用，这主要是因为氧化锆有多种的相结构：单斜相（M）、立方相（C）、四方相（T）。

氧化锆涂层在热震环境中容易发生开裂、剥落等而使涂层失效，其原因是在热震环境中容易产生大的热应力。所以，一般情况不使用纯ZrO₂粉末作为喷涂原始粉末。为了不让ZrO₂随着温度变化而发生相变，需要先进行稳定化处理。这通常涉及将氧化镁、氧化钙、氧化钇、氧化铈等稳定剂与ZrO₂混合焙烧，以确保立方晶相稳定存在于材料中，从而实现对相成分的调整。由于受CaO高蒸汽压的限制，CaO-ZrO₂在等离子喷涂中会产生燃烧损耗，因此稳定化程度最好取上限位。Y₂O₃-ZrO₂涂层在化学稳定性方面相较于CaO-ZrO₂和MgO-ZrO₂涂层表现更为优越，其使用温度上限高达1650℃，因此被视为理想的热障涂层材料。目前，Y₂O₃-ZrO₂粉末材料是等离子喷涂技术中制备热障涂层最为广泛应用的材料之一。

热障涂层（TBCs）是一层用于保护基底材料的陶瓷涂层，TBCs在保护高温合金不受氧化、侵蚀、磨损、高温和大热流直接影响高温合金基材表面方面发挥着重要作用。它广泛应用于热截面部件，TBCs的结构主要包括基底、金属粘结层、热生长氧化物（TGO）和陶瓷顶层。在热截面部件的使用过程中，金属涂层的温度通常达到导致中间涂层氧化和在顶部和粘结层之间不可避免地产生TGO的水平。陶瓷材料常被选为面层材料，用于隔离高温燃气，有效降低基体温度。而金属粘结层则扮演着弥补陶瓷顶层与合金基体之间热膨胀系数不匹配问题的角色，它不仅能改善两者之间的兼容性，减轻涂层的内部应力，涂层的抗氧化能力还有所加强。在TBCs材料中应用最广泛、最成功的陶瓷面层依旧是8YSZ材料。它具备出色的隔热性能、高耐久性、低热导率、高热膨胀系数以及高熔点等显著特点。