科创中国

热障涂层被广泛应用在航空航天发动机和燃气轮机的热端部件中，用来保护内部的金属基体免受高温的侵蚀，以提高工作温度，延长使用寿命。更高的工作温度会为燃气轮机带来更高的热转换效率。根据不同材料的各自特点，将具有更低热导率、抗烧结、热稳定的新型陶瓷涂层（TC1）涂覆在传统 YSZ 层（TC2）上形成双陶瓷层 TBC，一方面可利用新型陶瓷材料优异的高温热物理性能为 YSZ 和合金基底提供保护，另一方面能通过 YSZ 缓解新型陶瓷涂层与其它组元间的力学性能差异，从而降低热失配应力。因此，双陶瓷层 TBC 是超高温环境下兼顾抗烧结、高温稳定、强隔热和长寿命的有效途径，是未来燃机提高涡前温度的主要发展方向。实验结果表明，双陶瓷层 TBC 中引入的陶瓷层弱界面对涂层系统的失效机制将产生显著影响；不同双陶瓷层组元间弱界面裂纹的萌生与扩展是导致涂层失效剥落的主要原因，且弱界面裂纹间存在相互竞争行为，使得双陶瓷层 TBC 的失效机理更加复杂。

本成果主要用于材料加工表面增材制造及防护领域，尤其涉及一种喷气式发动机叶片用热障涂层及其制备方法，其特征在于，该热障涂层为复合结构，在金属基体表面从下至上依次为金属粘结层、缓冲层和陶瓷层，所述金属基体为镍基定向凝固高温合金，所述金属粘接层为镍基合金，所述缓冲层为8YSZ材质，所述陶瓷层为YGYZ材质。与现有技术相比，技术方案的有益效果是：1）粘结层结合强度更高，组织更致密，耐磨损性能也更加优越。2）缓冲层的孔隙率控制在7 .7% ~ 7 .9%范围，实现与陶瓷层和粘结层的匹配，拥有更好的热循环寿命。3）在保留Gd2 Zr2 O7低热导率的优点的同时，也可以减少在热冲击过程中引发的氧化锆相变，提高了陶瓷层的热稳定性，改善了涂层的热物理性能。实验室多年摸索，制备出多种喷气式发动机叶片用热障涂层，其特征在于，该热障涂层为复合结构，在金属基体表面从下至上依次为金属粘结层、缓冲层和陶瓷层，所述金属基体为镍基定向凝固高温合金，所述金属粘接层为镍基合金，所述缓冲层为8YSZ材质，所述陶瓷层为YGYZ材质，喷涂金属粘结层的厚度为260 ~ 290μm，喷涂缓冲层的厚度为100 ~ 120μm，喷涂陶瓷层的厚度为600~ 630μm。

热障涂层被广泛应用在航空航天发动机和燃气轮机的热端部件中，用来保护内部的金属基体免受高温的侵蚀，以提高工作温度，延长使用寿命。更高的工作温度会为燃气轮机带来更高的热转换效率。为了降低化石燃料的消耗，实现“节能减排”的目标，燃气轮机需要追求更高的燃烧效率，内部燃烧室的温度和压力需要不断提高，因而对热障涂层材料在更高使役温度下的稳定性和耐久性也提出了更严苛的要求。在服役过程中，热障涂层会暴露在高应力、熔盐腐蚀和粒子冲蚀等环境下，其中熔盐腐蚀和外物损伤会在短时间内令涂层失效，极大的影响了发动机的可靠性和安全性。因此优化热障涂层的稳定性以提高涂层的抗腐蚀和抗冲蚀能力便成为了一个重点研究的方向。

1）粘结层的制备使用超音速火焰喷涂方式，熔融粒子速度可以达到300 ~ 500m/s甚至更高的速度，形成的粘结层结合强度更高，组织更致密，耐磨损性能也更加优越，通过采用带有缓冲层的结构设计，以及低成本的大气等离子喷涂方式喷涂缓冲层与陶瓷层，实现了低成本、高性能、高寿命的热障涂层的制备。

2）通过制备缓冲层，选择高纯度8YSZ作为缓冲层材料，将缓冲层的孔隙率控制在7 .7 % ~ 7 .9%范围，将未熔融粒子的个数控制在≤1个，实现将缓冲层的弹性模量控制在99 .2~ 146 .8GPa之间，将硬度控制在4 .5 ~ 9 .9GPa之间，将抗断裂韧性控制在1 .85 ~ 2 .23MPa·m ^1/2 之间，实现与陶瓷层和粘结层的匹配，改进YGYZ陶瓷层热膨胀系数与抗断裂韧性过低的缺点，从而实现能够提高热障涂层寿命的制备方式，相对于YGYZ单陶瓷层热障涂层在喷气式发动机热冲击实验中得到的350 ~ 678次热循环寿命而言，带有高纯度8YSZ缓冲层的YGYZ热障涂层拥有更好的热循环寿命，在循环2000次以后仍然具有良好的状态，YGYZ陶瓷层未发生脱落，只有部分位置出现纵向裂纹。

3）陶瓷层原料选择氧化镱、氧化钆、氧化钇共掺杂稳定的氧化锆，在保留Gd2 Zr2 O7 低热导率的优点的同时，也可以减少在热冲击过程中引发的氧化锆相变，提高了陶瓷层的 热稳定性，改善了涂层的热物理性能。

热障涂层利用陶瓷的隔热和抗腐蚀的特点来保护金属材料，不仅可以提高油料的燃烧效率，而且可以极大地延长发动机的寿命，在航空、航天、海面船舶、大型火力发电和汽车动力等方面具有重要的应用价值，是现代国防尖端技术领域中的重要技术之一。航空航天方向，航空发动机获得更大的推重比，就必须提高发动机涡轮前的进口温度，因此对航空发动机燃烧室、涡轮叶片等热端部件的抗高温能力的要求相应提高。在基体合金表面涂覆热障涂层是有效提升其抗高温能力的途径之一 。目前在涡轮发动机上获得实际应用的热障涂层均为双层结构： 表层为陶瓷层，主要起隔热作用，此外还起抗腐蚀、冲刷和侵蚀的作用； 内层为金属粘接层，主要起改善金属基体与陶瓷层之间的物理相容性，增强涂层抗高温氧化性能的作用。重型燃气轮机方向，大功率发电用燃气轮机透平进口温度远高于金属材料承受极限，在使用内部冷却结构的基础上在热端部件表面涂敷高熔点、低热导率、耐腐蚀的热障涂层，可降低合金表面温度 80°C -150°C；是提升燃气轮机透平前燃气入口温度、保护金属部件，提高燃机工作效率的最有效手段；同时还可有效解决合金叶片因高温氧化、腐蚀等引起的失效，大幅提高热端部件服役寿命。长期以来，国外各燃机制造企业均把将透平叶片和热障涂层作为核心材料及关键制备技术加以严格保护。为研发与掌握我国自主知识产权的重型燃气轮机制造技术，先进高温陶瓷热障涂层材料的组分与微结构设计、制备工艺和考核评价标准是其中必须解决的核心关键技术之一。透平一级动、静叶片表面温度达到 1250°C，300MW 级 F 级燃机用热障涂层在功能存在一定限制，因其使用温度上限为 1200°C ，长期在 1250°C运行有风险发生相变、烧结等问题，引发涂层体系隔热衰减、寿命降低；考虑可能存在的局部超温问题，热障涂层表面耐用温度需要达到 1300°C。应对超高温长寿命低热导率热障涂层需求，国外先进燃机主要解决方案有两个，即引入抗烧结的低热导率新材料，制备多层结构热障涂层或低热导率双层结构热障涂层，其新材料主要是在钇稳定氧化锆基础上制备复合稳定多元稀土氧化锆，这种材料的韧性较传统的钇稳定氧化锆差，使用单层结构寿命低，一般进行多层结构设计，层间进行厚度和结构匹配以提高综合性能；粉体材料的成分设计和热障涂层结构设计以及层间匹配性是开发的要点，本研究成果可以满足高温燃气轮机长时间使用的要求。

辽宁科技大学表面工程团队，拥有全面的热障涂层粉末合成、热障涂层制备热障涂层相关性能测试及分析设备，包括粉末烧结设备、粉末团聚设备、大气等离子喷涂设备、马弗炉、纳米压痕、扫描电镜、能谱仪、透射电镜等；表面团队与上海硅酸盐研究所、上海震廷热喷涂热喷涂粉末服务商达成合作，对热喷涂粉末进行产业化制备及出售，并与江苏常州大学达成合作，在热障涂层制备方面进行产业化；在国际项目合作方面，与美国普渡大学张京教授共同合作了3D镍基合金热障涂层制备及评价项目，并在此项目中担任负责人；项目负责人及主要参加人员的研究方向皆为热障涂层、热喷涂技术以及热障涂层陶瓷材料

团队负责人 吕哲 热障涂层方向相关五项成果

第1项：主持国家青年基金项目1项“锆酸镧新型热障涂层的结构设计和机理研究” 2018.01~ 2020.12 国自:51702145

第2项：专著 Novel Lanthanum Zirconate-based Thermal Barrier Coatings for Energy Springer 2020 10-29 ISBN: 978-3-030 排名 2/4

第3项：Experimental and Modeling Studies of Bond Coat Species Effffect on Microstructure Evolution in EB-PVD Thermal Barrier Coatings in Cyclic Thermal Environments 杂志：Coatings 2019-09-28

第4项：Microstructure and Phase Analysis of 3D-Printed Components Using Bronze Metal Filament 杂志：Journal of Materials Engineering and performance 2020-03-04

第5项： 热障涂层先进结构设计研究进展 杂志 表面技术 2022-05-23

周艳文，辽宁科技大学材料与冶金学院，教授。辽宁科技大学功能材料与先进涂层团队带头人从事物理气、化学气相沉积技术及薄膜材料相关研究。从2009年起，连续主持了6项国家自然科学基金面上项目，发表相关检索论文数十篇。

空发动机是飞机的重要部件，约占整机价值的25%，其中盘轴件、叶片、机匣、燃烧室、控制系统是航空发动机的核心零部件，价值量占比较高。航空发动机的市场包含新机购置、换发以及后市场（大修和保养）三大市场增长点。一方面，国内首次跨入战略空军门槛，军机列装加速，另一方面，预计国产客机批量交付带动民用航发迎来发展新起点。此外，发动机具有耗材属性，一方面，其使用寿命低于飞机，存在换发需求，另一方面，发动机零部件常需多次更换或修理，发动机后市场服务空间和销售市场空间相当。基于FlightGlobal等披露数据以及我们对我国飞机数量的预测，我们预计，未来十年我国含后市场服务的航空发动机市场空间约为26828亿元，其中军用市场空间约为12072亿元，民用市场空间约为14756亿元

社会效益：尤其是在高端装备领域，与当时西方发达国家的差距巨大。航空发动机是一种高度复杂和精密的热力机械，作为飞机的心脏，为飞机的飞行提供动力。为了提高发动机的推力，提高涡轮前进口温度是重要途径之一，将低热导率的陶瓷材料涂覆于高压涡轮叶片的表面所形成的热障涂层，可以有效地降低叶片表面的温度，从而实现提高涡轮前进口温度的目标。但是西方国家一直以来垄断这项技术，并对国内采取严格的技术封锁。中国的航空发动机叶片。过去上飞机的时候，西方笑话中国赤膊上阵，因为只能靠合金本身的耐温能力和冷却来降温，冷却系膜技术和热障防护涂层，只能赤膊上阵。国外发动机都是热障涂层的，日本三菱，阿尔斯通，西门子封锁全部国际专利，目前国内自主研发的热障涂层收益颇多。该成果通过国家自然科学基金项目及辽宁省重点服务地方项目，辽宁科技大学创新团队项目，前期投入50余万元，目前已经生产出，产品级的热障防护涂层，并经过一些列的高温热稳定性实验和热熔盐腐蚀实验。

经济效益： 我国热障涂层技术起步相对较晚，应用领域较为有限，但随着技术的发展，应用领域逐渐拓宽。最早我国的热障涂层主要用于航空发动机燃烧室、火焰筒等部件，主要为军用领域，并逐步扩展，向燃气轮机、发电机组高温叶片等领域持续扩张，市场需求也呈现出逐步扩张的态势。 目前国家低碳环保的政策出台后，降低燃油消耗，减少碳排放，早日达到碳达峰起到一定的作用。热障涂层有效的保护高温镍合金，提高发动机进口温度，提高燃油利用率，降低能搞带来可观的经济效益。

技术转让或技术入股的方式进行转化，技术转让价格活入股股权比例跟据双方协商协定。

具体设备要求;

等离子喷涂设备两台，目前国产设备完全可以取代进口欧瑞康美科的设备，主要国内设备厂商北京联合涂层，广州三鑫金属设备技术公司的等离子设备都可以。等离子喷涂设备的特点是继火焰喷涂之后大力发展起来的一种新型多用途的精密喷涂方法，它具有：①超高温特性，便于进行高熔点材料的喷涂。②喷射粒子的速度高，涂层致密，粘结强度高。③由于使用惰性气体作为工作气体，所以喷涂材料不易氧化。送料系统需要采用PLC和触摸屏设定参数，精确控制送料精度和送料速度，可以选配送料振动装置、料罐粉体加热装置以及计量称重装置，等离子体功率需要达到100KW以上，高功率等离子才能够使陶瓷隔热层的，稀土锆酸盐陶瓷粉末融化，制备陶瓷隔热层。

超音速喷涂设备两台，主要应用于金属涂层的制备。工作原理：由小孔进入燃烧室的液体燃烧，如煤油，经雾化与氧气混合后点燃，发生强烈的气相反应，燃烧放出的热能使产物剧烈膨胀，此膨胀气体流经Laval喷嘴时受喷嘴的约束形成超音速高温焰流。此焰流加热加速喷涂材料至基体表面，形成高质量涂层。超音速火焰是利用丙烷、丙烯等碳氢系燃气或氢气与高压氧气在燃烧室内，或在特殊的喷嘴中燃烧产生的高温、高速燃烧焰流，燃烧焰流速度可达五马赫(1500m/s)以上。将粉末轴向送进该火焰，可以将喷涂粒子加热至熔化或半熔化状态，并加速到高达300-500m/s，甚至更高的速度，从而获得结合强度高、致密的高质量的涂层。超音速火焰速度很高，但温度相对较低，对于WC-Co系硬质合金，可以有效地抑制WC在喷涂过程中的分解，涂层不仅结合强度高，且致密，耐磨损性能优越，其耐磨损性能大幅度超过等离子喷涂层，与爆炸喷涂层相当，也超过了电镀硬铬层、喷熔层。金属粘结层和耐磨金属涂层的制备。

另外需要配套的喷涂车间，除尘，冷却水等多种喷涂配套设备。

投资技术合作开发模式，目前辽宁科技大学拥有全套工业化生产级别的欧瑞康9M喷涂系统，可以完成工业化生产级别的小型件喷涂，也可以整体入股相关企业。辽宁科技大学目前具备全套的粉末制备合成，喷涂制备，