热障涂层的分类及要求

随着航空发动机推重比与效率的提升，其进口温度持续升高，这使得环境沉积物 CMAS（CaO-MgO-Al₂O₃-SiO₂）对发动机叶片涂层的腐蚀影响显著加剧。高温条件下，CMAS呈熔融状态，会经涂层孔隙及微裂纹渗入内部，与涂层发生剧烈反应，进而引发涂层相变，导致热导率和力学性能下降，同时诱发应力集中、裂纹扩展甚至剥落，加速热障涂层失效进程。一方面，CMAS在叶片表面沉积易堵塞冷却气孔膜；另一方面， 熔融态CMAS渗入涂层内部会加速涂层烧结，造成相变失稳，致使隔热性能降低、服役寿命大幅缩短。

当前，氧化钇稳定氧化锆（YSZ）是热障涂层的主流材料，但其抗CMAS 腐蚀能力较弱，尤其在高于1200℃的工作环境中表现明显。

热障涂层材料选择要求

热障涂层在基体与外界环境之间构建一道防护层，有效的阻止CMAS与基体的接触从而极大地提高叶片部件的使用寿命。热障涂层材料要做到以下五点：

1）要求涂层材料在CMAS熔融状态下不会发生严重的腐蚀以及能阻止氧气向内扩散；

2）高温下的相稳定性，要求涂层材料在高温环境下不会发生相变或者即使发生相变但体积改变不大，不会因为体积的变化导致裂纹而使涂层失效;

3）良好的化学相容性， 要求在高温环境下涂层材料之间不会发生反应；

4）与基体有较好的热膨胀系数匹配， 要求在高温环境下涂层材料不会因为热膨胀系数相差过大而产生应力从而导致涂层与基体之间出现分层；

5）能够抵御熔盐（CMAS）的腐蚀。

热障涂层的分类

1.莫来石涂层

莫来石具有密度低，抗氧化性和化学兼容性高等优点，并且莫来石(5×10^-6゜C^-1)的热膨胀系数(CTE)与SiC(4.5×10^-6゜C^-1)接近。虽然两者热膨胀系数匹配，但是大气等离子喷涂(APS)的莫来石层依旧在热循环过程中形成裂纹造成涂层的失效。经过对涂层相稳定性和微观结构的研究发现，裂纹的产生与热膨胀系数无关，而是因为在沉积过程中莫来石快速冷却形成的残余亚稳态非晶莫来石，在高温环境下莫来石中发生非晶转变导致体积变化继而产生裂纹导致涂层失效。

2.钡锶铝硅酸盐涂层

钡锶铝硅酸盐（BSAS）涂层作为一种热障涂层（TBC），在抗CMAS 腐蚀方面具有一定的效果，在高温下，CMAS会熔融并覆盖在BSAS涂层表面，部分CMAS会渗入BSAS陶瓷涂层内部并发生反应。这种反应可能导致涂层的破坏和性能下降。实验数据表明，当CMAS与BSAS涂层的反应量相同时，腐蚀深度与时间变量呈现显著的正相关趋势。虽然BSAS涂层在一定程度上能够抵抗CMAS腐蚀，但在高温下的反应性、腐蚀层深度与时间的关系、涂层结构的破坏、抗CMAS腐蚀能力的局限性以及稀土离子半径的影响等方面存在一定的局限性。这些局限性需要通过新材料体系探索或新材料设计方法研究来克服，以实现更高耐蚀、长寿命的环境障涂层。

3.稀土硅酸盐涂层

随着航空发动机的进一步发展，1300℃已经很难满足航空发动机热端部件使役温度要求。与BSAS相比，稀土硅酸盐的工作温度可以超过1300℃。在稀土硅酸盐中有两个大类即稀土单硅酸盐（Re₂SiO₅）和稀土双硅酸盐（Re₂Si₂O₇）。稀土硅酸盐材料具备很多优势，包括相对较低的热膨胀系数、较高的熔点、较低的热导率，同时还拥有良好的高温稳定性、耐水氧腐蚀性能以及与SiC材料优异的化学相容性。而被人们确定的合适稀土材料中主要有钪(Sc)、镥(Lu)、镱(Yb)、钇(Y)和铒(Er)等稀有元素的硅酸盐，因此越来越多的科研人员开始研究稀土硅酸盐环境障涂层。