张宝鹏，朱 申，王 宇，刘 伟，李 策

（航天特种材料及工艺技术研究所，北京 100074）

随着航空发动机工作效率和推重比的不断提升，发动机中各部件的使用温度也随之提高。航空发动机涡轮叶片一般采用镍基高温合金进行制造，该类合金熔点约为1400℃，远低于航空发动机的工作环境温度。在此情况下，热障涂层技术应运而生。热障涂层（Thermal barrier coatings，TBCs）是将具有耐高温、低热导、抗腐蚀等性能的陶瓷材料以涂层形式沉积在基材表面，以提高发动机叶片使用温度及高温抗氧化能力，延长使用寿命，提高发动机效率的一种表面防护技术[1]。

图1 为热障涂层体系的示意图，其中显示涂覆热障涂层后涡轮叶片的使用温度可以提高150～200℃[2]。在高性能燃气涡轮发动机中，TBCs技术与高温结构材料、高效气膜冷却技术并称为涡轮发动机叶片的三大关键科学技术。在不同年代下，发动机材料承温能力的发展历程与趋势如图2 所示[3]。

图1 热障涂层体系示意图Fig.1 Schematic illustration of TBC system

图2 发动机材料承温能力的发展历程与趋势Fig.2 Progression and projection of temperature capabilities of turbine engine materials

热障涂层结构

热障涂层已发展出多种结构模型，主要包括双层结构、多层结构、梯度结构等[4]。双层结构是工艺最简单、同时也是最常用的结构模型，它由一层金属黏结层和一层陶瓷隔热层组成，如图3（a）所示[4]。金属黏结层用于缓解陶瓷层与基体之间热膨胀系数（Thermal expansion coefficient, TEC）不匹配的问题，同时提高合金基体的高温抗氧化性能；陶瓷层则主要起隔热、保护合金基体的作用。多层结构热障涂层在双层结构的基础上增加了封闭层和氧阻挡层。……