根據（jù）高溫塗層的發展曆史，可將其分為以下三類：擴散（sàn）塗層、包覆塗層和熱障塗層。為了（le）進一步提高渦輪發動機的工作（zuò）效率，並達到節能減排的目的，就要提高發動機的進（jìn）口溫（wēn）度，因此，科學工作（zuò）者們不斷致力於研發更（gèng）先進的（de）材料、塗層體係及製備技術，例如（rú）研製出的第四代鎳基單晶高溫合金的承溫能力（lì）已達（dá）1180℃。相應地，對（duì）高溫防護塗層也提出了更高的要求，湧現（xiàn）出多種具有獨特設計理念的（de）新型高溫防護塗層。下文將對常用的以及幾（jǐ）種特色高溫防護塗層進行（háng）介紹。

2       常用高溫防護塗層（céng）

2.1      擴散塗層

擴散塗層是經（jīng）擴散滲過程使一些抗氧化性元素進（jìn）入基體表麵（miàn），和基體元素反應生成金屬間化合物來提（tí）高合金（jīn）的抗氧化性能。常見的擴散元素有Al、Cr、Si等。擴散塗層（céng）的典型代表是滲鋁塗層和改性（xìng）的滲鋁塗層，這些塗層在（zài）氧化時生成Al2O3，對基體有較好的保（bǎo）護作用。

擴散鋁化物塗層最早在 1911 年由 Van Aller 在美國專利中（zhōng）闡述，采用粉末包埋法製備（bèi），從20世紀50年代開始應用於鈷基導向葉片，60年代應用於（yú）鎳基高溫合金動片，是工業（yè）應用最早且應用（yòng）範圍最廣的高溫防（fáng）護（hù）塗層。

在（zài）粉末包埋滲鋁方法中，樣品（pǐn）埋入滲劑粉末中，滲劑由鋁源粉末、鹵化物活化劑和填（tián）料組成，鋁源（yuán）粉末可以（yǐ）是金屬Al或適合的合金粉（fěn），填（tián）料通常為惰性的Al2O3。滲（shèn）劑一般含（hán）有2%~5%的活化劑（jì），例如氯化銨，25%的鋁源，剩下的為填料。加熱時（shí）活化劑在滲（shèn）劑中揮發，與鋁源反應（yīng）生成揮發（fā）性的（de）塗層金屬（shǔ）的化合物。揮發性的物質向（xiàng）基材表麵擴散，並在那裏發生沉積反應。滲鋁時須通入氬氣等保護性氣體（tǐ），以（yǐ）免鋁源和金屬基材被（bèi）氧化。

該方法製備出（chū）來的滲層均勻，適用於複雜外形零件的滲鋁。且成本（běn）低，質量穩定但也存在不少缺點，例如，耐熱腐蝕性能差，塗層脆性大、退化速度快等，為了改善鋁化物塗層的性能，減緩其在（zài）使用過程中的（de）退化，從20世紀70年代起，發展了眾多改性的鋁化物塗層，例如在鋁化物（wù）中加入鉻、矽、鉑和稀土元素等。在塗層中加入Cr、Si可以顯著提高塗層的抗熱腐蝕性能，減緩因（yīn）塗層和基材互擴散引起的退化（huà）。在改進型鋁化物塗（tú）層中，Pt-Al塗層的改性效果最明顯。研究表明，Pt改性鋁化物塗（tú）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（le）鋁化物塗層（céng）的組織穩定（dìng）性，降低了塗層與基體之間的互擴散。

2.2      包覆塗層

包覆塗層是（shì）指利用物理或化學手段使塗層材料在合金表麵直接沉積而形成的塗層（céng）。包覆塗層與擴散塗層的明顯不同是（shì）塗層沉積時隻與基材（cái）發生能夠 提高塗層（céng）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（de）選擇更具有多樣性。包（bāo）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（céng）。製備這類塗層的技術多樣（yàng），包（bāo）括物理氣相沉積、熱噴（pēn）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（yī）係列的塗層體係，其中（zhōng）M為Fe，Co，Ni或它們的組合，Al用來形成保護（hù）性的Al2O3膜，Cr用（yòng）來促（cù）進氧化膜的形（xíng）成，並提高抗熱腐蝕能力，Y用來（lái）提高氧化膜的附著力，塗層中（zhōng）還可通過添加Hf，Si，Ta，Re，Zr，Nb等元素中的一種或多種以滿足一些特（tè）定的應用（yòng）需（xū）求。下表總結了一些商用MCrAlY塗（tú）層的成分及沉積方法。通常，沉積的（de）MCrAlY塗層厚度在125~200μm，成本約（yuē）為傳統鋁化物塗層的2~4倍。

表1 典型商用MCrAlY塗層（céng）的成分（fèn）及沉積方法

 

2.3      熱（rè）障塗層

圖2所示（shì）為一種（zhǒng）渦輪葉片用熱障塗（tú）層的典型結構。熱障塗層（TBCs）是由陶瓷隔熱麵層和金屬（shǔ）粘結層（céng）組成的塗層體係。陶瓷塗層導熱性差，可以阻礙熱量向（xiàng）基（jī）體內部的傳輸，降低熱端部件的使用溫（wēn）度。ZrO2由於（yú）具有較低的導熱係數、較高的熔點以（yǐ）及優良的力學性能是研究最多的熱障塗（tú）層成分。但由於ZrO2具有幾種不同的結構，其在溫度變化時發生相（xiàng）轉變使得塗層承受應力，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）具有高熔點，高溫穩定性、低熱導率及與基體材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（jīn）基（jī）體的（de）熱膨脹係數相差（chà）較大，當溫度變（biàn）化時，塗層內會產生較大熱應力且陶（táo）瓷層對基（jī）體的氧化不（bú）具備（bèi）阻擋作用。為（wéi）改善二（èr）者之間熱膨脹係數的不匹配同時提高基體的抗氧化性能，在合金基體和陶瓷（cí）層之（zhī）間施加一層金屬粘結層，常用（yòng）的金屬粘結（jié）層有MCrAlY和Pt改性的（de）鋁化物塗層。

熱障塗層（céng）（厚度100~400μm）和合（hé）金基體內通道冷卻的使（shǐ）用可以降低熱端部件的表麵溫度100~300°C，使得現代燃氣輪機（jī）葉片的使用溫度提高至高溫合金基體熔點（~1300°C）之上。目前，TBCs應（yīng）用麵臨的主（zhǔ）要挑戰是塗（tú）層的耐久性，尤其是塗層抗剝落的能力。

 

圖2 電（diàn）子束物理（lǐ）氣相沉積方法製備渦輪葉片用熱障塗層的典型結構

3       特（tè）色高溫防護塗層

這類塗（tú）層將材料學、物理化學、固體擴散（sàn）、高（gāo）溫 氧化等學（xué）科的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（wēi）晶塗層

樓翰一和王福會等發展了一種全新的高溫合金防護塗層——高溫合金 微晶塗層。與（yǔ）傳統的高溫防護塗層不同（tóng），微晶塗層與基體合金成分完（wán）全相同（tóng），因此避免了在高溫（wēn）下塗層與基體的互擴散而（ér）引起的力（lì）學性能下降，而（ér）同時，塗層晶粒尺寸在20~100 nm，不僅可以促進A1的選擇性（xìng）氧化，還可以提高（gāo）氧化膜的粘附（fù）性。

3.2      功能梯度塗（tú）層

功能梯度塗層是功能梯度材（cái）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上不同材料製備（bèi）成在一定方向（xiàng）成分（或（huò）/和結構）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（tī）度熱障塗層。如前所（suǒ）述（shù），熱障塗層由8%Y2O3-ZrO2陶瓷頂層（céng）和MCrAlY金屬粘（zhān）結層組成，陶瓷和金屬材料性質的不匹配導致熱循（xún）環過程中陶瓷層（céng）剝落，通過等離子噴塗等（děng）方法在陶（táo）瓷頂層和金屬粘結層之間製備梯度塗層，使（shǐ）得（dé）層中陶瓷和金屬成分沿厚度（dù）方向（xiàng）呈梯度變化來（lái）緩和陶瓷/金屬界麵的不匹（pǐ）配。雖然目前結果並不很盡人意，但（dàn）在這方（fāng）麵的探索還一直在繼續。

3.3      搪瓷塗（tú）層

搪瓷就是在金屬表麵塗燒一層或多層的非金（jīn）屬（shǔ）無機材料，高溫（wēn）搪燒時，金屬和無機材料在高溫下（xià）發生適當的物理化學（xué）反應，在界麵形成化學鍵，使塗層與基體（tǐ）材料（liào）能（néng）牢（láo）固結合成為一個整體（tǐ）。搪瓷塗層熱膨脹係數可調，並且熱化學穩定性高、結構致密（mì）、抗腐蝕性能優異；同（tóng）時（shí），塗層製備工藝簡單（dān），成本（běn）低廉；而且作（zuò）為一種惰性抗（kàng）高溫腐蝕塗層，沒有傳統高溫塗層的抗氧化組元消耗等問題；因此作為一種長壽命耐蝕塗層有很好的應用前景。針對搪瓷本身脆性較大的缺點，有研究者在搪瓷中添加NiCrAlY金屬粉對搪瓷進行改性，製備了具有優異抗熱震性能的新型金屬複（fù）合搪瓷。

高溫（wēn）防護塗（tú）層在技術上具有很大的潛力和良好的發展前景，其有待解決的問題仍然是如何在抑製塗層與基體材（cái）料（尤（yóu）其是單晶高溫合金）互擴（kuò）散的同時提高塗層的抗氧化腐蝕性能，這些還需要科研工作者們的共（gòng）同努力。