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耐高温涂层专栏
张晓东,杨冠军

        耐高温涂层广泛应用于航空、航天、船舶、能源等领域的高端装备,不论对于国民经济的发展,还是对于国防能力的提升,都具有极为重要的意义。性能优异的耐高温涂层,是苛刻服役工况下各种高端装备关重件的“金钟罩”,能够保障高端装备的正常运行。于是,揭示耐高温涂层的失效机理、研发高性能耐高温涂层材料和结构、发展完善相关测试分析技术等,都是当下乃至未来很长一段时间内的热点研究领域,既有重要的学术价值也有重大的工程意义,相关科学问题的解决既有必要性也有紧迫性。

        为此,《材料保护》编辑部特别开辟了“耐高温涂层专栏”,诚邀国内部分在耐高温涂层领域作出优异成绩的青年拔尖学者撰稿,集中展示了耐高温涂层领域的研究进展。本期“耐高温涂层专栏”刊出了6篇文章,其中有汪欣博士团队撰写的综述文章:“难熔金属表面高温防护涂层抗热震性能研究现状”;有张晓东博士团队撰写的2篇综述文章:“高熵稀土氧化物热障涂层材料研究进展”和“基于热障涂层的La2Zr2O7材料改性研究进展”;还有刘梅军博士团队撰写的综述文章:“热障涂层服役温度测试与隔热机理”。本专栏的另外2篇研究论文分别来自王铁钢博士、姜肃猛博士队的“Pt改性梯度NiCrAlY涂层的热腐蚀行为研究”和李彪博士团队的“双硅酸镱环境障涂层的高温水氧腐蚀机理研究”。

        我们希望通过“耐高温涂层专栏”促进相关领域的学术交流与合作,推动耐高温涂层研究取得日新月异的进步,引领相关产业通过成果转化形成新质生产力,实现我们的强国梦想!我们也期待业界学者、专家、工程技术人员和在校同学积极投稿参与讨论交流,为构筑我们共同的中国梦添砖加瓦、献计献策!

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  • 耐高温涂层专栏
    梁浩然, 刘艳明, 赵科遥, 汪欣
    材料保护. 2024, 57(3): 1-14. https://doi.org/10.16577/j.issn.1001-1560.2024.0051
    难熔金属及其合金具有高温强度优异、加工塑性好、耐腐蚀性好等优点,在航空、航天和核工业领域中得到了广泛应用,是一种重要的高温结构材料。但难熔金属及其合金因其自身易氧化的缺点,导致材料在未达到服役温度时就发生严重氧化,从而快速失效。目前,高性能高温防护涂层是保障难熔合金服役性能的关键,然而难熔金属及其合金表面高温防护涂层的实际服役工况非常苛刻,往往伴随着强热震,是导致涂层失效的重要原因。因此,难熔金属表面高温防护涂层在具备优异恒温抗氧化性能的前提下,还需具备良好的抗热震性能。综述了难熔金属表面高温防护涂层的热震失效机制,讨论了影响涂层抗热震性能的关键参数;阐述了难熔金属表面硅化物、金属和复合涂层3类主要涂层体系抗热震性能的研究现状,重点回顾了优化涂层结构、添加陶瓷颗粒以及设计复合涂层等提高涂层抗热震性能的方法及其改善效果;最后,从降低涂层与基体间的热膨胀系数失配度、改善基体/涂层界面结合性能以及设计复合梯度涂层3个方面展望了未来难熔金属高温防护涂层的发展方向。
  • 耐高温涂层专栏
    张晓东, 梁逸帆, 宋艺, 王昊, 王铀
    材料保护. 2024, 57(3): 15-27. https://doi.org/10.16577/j.issn.1001-1560.2024.0052
    热障涂层(Thermal barrier coating, TBC)材料在航空发动机和燃气轮机的热防护中具有保护高温合金基底免受氧化及腐蚀,并降低高温合金的工作温度的重要作用。新型热障涂层材料中存在许多高熵稀土氧化物,能够实现比单一主成分稀土氧化物更优异的热学、力学、高温相稳定性以及抗烧结、耐腐蚀等性能。但是目前对高熵稀土氧化物的研究仍然停留在初步阶段,其中稀土元素对材料性能的作用尚未完全明确,且没有形成统一标准。简要概述了热障涂层的基本结构,并重点总结了高熵锆酸盐、铈酸盐、铪酸盐、钽酸盐和铌酸盐等5种高熵稀土酸盐的晶体结构、热物理性能与力学性能。对比分析了其与相应的单一组分稀土酸盐的差异,并探讨了影响其性能优劣的多种因素。相比于单一组分稀土氧化物,高熵稀土氧化物的热导率、热膨胀系数和相稳定性均有明显改善。最后,展望了未来高熵稀土热障涂层的发展方向。
  • 耐高温涂层专栏
    孙日, 王铁钢, 李伟, 尹霜, 刘艳梅, 姜肃猛
    材料保护. 2024, 57(3): 28-37. https://doi.org/10.16577/j.issn.1001-1560.2024.0053
    为了进一步提高NiCrAlY涂层的抗热腐蚀性能,利用电弧离子镀技术在DZ125合金表面分别沉积NiCrAlY/NiAl/Al涂层(coating A)、NiCrAlY/Pt/NiAl/Al涂层(coating B),再经真空扩散退火处理形成成分渐变的梯度涂层结构。在涂层中引入改性元素Pt以改善涂层的抗热腐蚀能力,对比研究了2种涂层体系在900℃不同混合盐中的热腐蚀行为;利用SEM、EDS、XRD以及EPMA分析了涂层经过热腐蚀后的微观形貌、物相组成和元素分布。结果表明:在900℃的K2SO4+Na2SO4混合盐中,coating A表面的氧化膜发生了大面积的剥落,coating B中的Pt抑制了S在涂层/氧化膜界面处的偏析,增强了氧化膜的黏附性。在900℃的NaCl+Na2SO4混合盐中,coating A的Cr元素和O元素分别发生了外扩散和内扩散,Cr外扩散易与S反应生成有害相CrxSy。coating B中的Pt抑制了Cr、O元素的外扩散和内扩散。在NiCrAlY层和NiAl层之间增加Pt层,显著提升了NiCrAlY涂层在混合盐中的抗热腐蚀能力。
  • 耐高温涂层专栏
    张凯荣, 徐毅, 刘梅军, 杨冠军
    材料保护. 2024, 57(3): 38-49. https://doi.org/10.16577/j.issn.1001-1560.2024.0054
    热障涂层(TBC)被用于航空发动机涡轮叶片表面的热防护,主要由粘结层和陶瓷层组成,准确测量陶瓷层表面与粘结层/陶瓷层界面温度分布对指导涂层高隔热结构设计与制备具有重要意义。现有非接触式与接触式测温技术可测量表面温度,接触式测温技术可测量界面温度。主要介绍了3种用于测量航空发动机涡轮叶片表面温度的技术,其中,适用于TBC表面测温的包括以光学原理为主的红外辐射、荧光、晶体、光纤测温技术;以热致变原理为主的示温漆测温技术;适用于TBC界面测温的以热电原理为主的填埋式热电偶、薄膜热电偶测温技术,并介绍了其测温的原理、优势和局限性。进一步对TBC隔热机理及性能优化进行了介绍,并对TBC表/界面测温技术及涂层结构设计方向进行了展望。
  • 耐高温涂层专栏
    张晓东, 王昊, 梁逸帆, 宋艺, 王铀
    材料保护. 2024, 57(3): 50-62. https://doi.org/10.16577/j.issn.1001-1560.2024.0055
    随着航空发动机不断向高推重比、高性能方向发展,传统、单一的热障涂层(Thermal barrier coating, TBC)已经不能满足热端部件严苛的服役要求。锆酸镧(La2Zr2O7)具有熔点高、高温下结构稳定、低热导率等优点,具有极好的隔热性能,有望成为新一代热障涂层候选材料,但在实际应用中仍存在两大关键问题,即热膨胀系数低和断裂韧性差。因此,La2Zr2O7材料在服役过程中会因热失配而造成局部热应力集中,导致涂层过早剥落失效,严重影响涂层的服役寿命。国内外研究表明,对La2Zr2O7材料进行改性可以有效解决上述问题。为此,系统分析了关于La2Zr2O7材料改性的研究工作,将La2Zr2O7材料改性总结为4类:第二相复合、稀土掺杂、纳米化和高熵化。重点介绍了4种不同改性方式对La2Zr2O7材料热导率、热膨胀系数的影响及增韧机理,并对La2Zr2O7材料改性研究工作进行总结和展望,以为La2Zr2O7材料在热障涂层领域的应用提供理论支撑。
  • 耐高温涂层专栏
    胡祥鹏, 蒋文昊, 李彪
    材料保护. 2024, 57(3): 63-69. https://doi.org/10.16577/j.issn.1001-1560.2024.0056
    陶瓷基复合材料构件在航空发动机燃气环境中面临严重的水氧腐蚀退化问题,在构件表面采用环境障涂层进行热防护是提高陶瓷基复合材料部件的高温性能、延长其使用寿命的有效措施。环境障涂层的高温稳定性对部件的结构完整性具有重要影响。为了探明环境障涂层在高温下的水氧腐蚀失效行为和机理,针对大气等离子喷涂(APS)Yb2Si2O7/莫来石/硅体系的环境障涂层系统,开展了其在1 350℃、90%(体积分数)H2O-10%O2水/氧蒸汽环境中的静态高温水氧腐蚀试验,采用XRD、SEM、EDS等材料表征分析手段,研究涂层在高温静态水氧腐蚀环境中的失效行为,获得EBCs涂层微观结构及物相在腐蚀过程中的演变规律,揭示EBCs涂层的失效机理。结果表明:表面的Yb2Si2O7与环境中的氧化剂(主要为水)反应生成挥发性物质Si(OH)4,导致Yb2Si2O7被不断消耗,莫来石层中的Si元素与Yb2Si2O7层中的稀土元素发生互扩散,使得高温化学反应过程和机理十分复杂;在经历500 h腐蚀后,涂层出现鼓包脱落而失效。