Thermal Barrier Coatings for Gas-TurbineEngine Applications
Science 296, 280 (2002);
DOI: 10.1126/science.1068609

Nitin P. Padture,1* Maurice Gell,1 Eric H. Jordan2
重点阐述
热障涂层成分的选择、结构设计、制备工艺、失效机理以及发展趋势。
随着科学技术的发展，在航天航空、燃气发电等领域，热障涂层得到更广泛
的应用。热障涂层可使高温燃气和工作基体金属部件之间产生很大的温降(可达
170 ℃或更高) ,达到延长热机零件寿命、提高热机热效率的目。所谓热障涂层是
指由金属粘结层和陶瓷表面涂层组成的涂层系统。陶瓷层是借助于中间抗高温氧
化作用的合金粘结层而与基体连结的。这一中间过渡层减少了界面应力，避免陶
瓷层的过早剥落。
金属粘结层主要作用增强陶瓷涂层与基体的结合力、提高热膨胀系数匹配,
提高基体的抗氧化性。目前,常用作粘结层的合金为 MCrAlY, M 代表Fe、Co、
Ni 或二者的结合，但由于CoO、Fe2O3 等在高温下易与ZrO2 的单斜相或立方
相发生化学反应, 因此, CoCrAlY 和FeCrAlY 不宜做热障涂层的粘结底层。由于
NiCoCrAlY 粘结层的抗氧化、抗热腐蚀综合性能较好，因此热障涂层大多采用
这种合金体系。MCrAl Y的成分对TGO 的生长速度、成分、完整性以及与基体
的结合力等因素有决定作用。
陶瓷层的作用：隔热 ,抗高温、热冲击性能及高温耐腐蚀性能。ZrO2 成为首
选是因为具有很高的熔点、良好的高温稳定性、低的热导率以及与基体材料最为
接近的热膨胀率。氧化锆是一种耐高温的氧化物，熔点是2 680 ℃，它有三种晶
体类型：单斜 四方 立方。从四方相向单斜相转变,伴随3 %～5 %的体积膨胀,
导致涂层破坏，为延长涂层的使用寿命,ZrO2 中需加入稳定剂。研究结果表明当
Y2O3 含量小于6%时，在热循环过程中会发生四方相到单斜相的转变，导致涂
层剥落；在Y2O3 含量为6 %～8 %时 ,陶瓷涂层抗热循环性能最好,寿命最长。
可能适用于高温热障涂层的陶瓷材料主要有氧化锆、氧化铝、氧化钇/氧化铈稳
定的氧化锆、莫来石、锆酸镧、稀土氧化物等 但氧化钇/氧化铈稳定的氧化锆整
体性能为最好，仍是目前广泛应用的陶瓷热障涂层。
TBC 主要有3 种结构: 双层系统、多层系统和梯度系统,。双层系统陶瓷层
一般为YSZ，粘结层材料普遍采用MCrAlY 合金。制备工艺简单, 是TBC 主要
采用的结构形式。多层系统 是在双层结构的基础上多加了几层封阻层。封堵层
可以阻止外部的V2O5、SO2 侵蚀粘结层, 降低氧的扩散速度, 能有效地防止粘
结层氧化。但抗热震性能改善不大, 而且工艺复杂。梯度系统 是在陶瓷层和基
体金属之间采用成分、结构连续变化的一种系统。它可以减小陶瓷层与粘结底层
因线膨胀系数不同而引起的内应力, 提高涂层的结合强度和抗热震性能,消除了
层状结构的明显层间界面, 使力学性能和线膨胀系数连续过渡,还形成了孔隙率
梯度。
从热障涂层技术的发展及应用来看,涂层的制备技术以等离子喷涂( PS)和电
子束物理气相沉积( EB2PVD) 两种为主。等离子喷涂( PS)是把金属或陶瓷粉末
送入高温的等离子体火焰，将喷涂材料加热到熔融或高塑性状态，在高速等离子
体焰流的引导下，高速撞击工件表面最终形成的喷涂涂层，操作简便，制备成本
低, 沉积率高，几乎适用于所有难熔材料的喷涂，组织为层状的等轴晶, 涂层与
金属基体的结合力相对较低,低的耐应变性，涂层是多孔的, 金属结合层易氧化导
致开裂，不适于喷涂结构复杂的工件。电子束物理气相沉积( EB2PVD) 是用高
能电子束加热并汽化陶瓷源，陶瓷蒸汽以原子形式沉积到基体上而形成的。组织
为柱状晶，柱状晶体与基体间属冶金结合，稳定性很好，具有良好的应变承受能
力, 提高了涂层的抗热疲劳的性能；表面光滑无需再加工，可在复杂构件上沉积。
技术难度大; 沉积速率低, 涂层的成分控制较困难。
热障涂层剥落的主要原因是热循环过程中应力的产生：TGO的热生长应力、
相变应力、温度梯度分布引起的热应力、热膨胀不匹配引起的热应力。TGO 在
TBCs 服役过程中不断生长增厚而引起生长应力 , 通常认为TGO 的生长是引
起热障涂层失效的主要原因 。
APS TBC的失效机理：1 在波峰位置, BC/ TGO 界面处的应力为拉应力, 而
在波谷位置该应力为压应力。随着TGO 厚度的增加, 拉应力随之增加而导致在
波峰位置沿BC/ TGO 界面的开裂。2 BC/ TC 界面的粗糙起伏形貌特征会导致
TGO/ TC 界面上的非平面应力状态在不同位置有所不同, 在波峰位置为拉应力,
而在波谷位置为压应力。拉应力引起波峰位置沿TGO/ TC 界面的开裂 3 拉
应力引起靠近波峰脆性TC 层中的开裂 。4 GO 厚度的增加造成了BC 层表面
的粗化, 改善了TGO 与BC 层间的结合, 使得二者在局部形成结合良好的/ 复
合体0。此时, 热应力在局部将不再受BC 层和TC 层间的热膨胀不匹配控制, 而
是受BC/ TGO/ 复合体0和TC 层间的热膨胀不匹配控制。当TGO 厚度超过某
一临界值时, BC/ TGO/ 复合体0 的热膨胀系数就会小于TC 层和BC 层各自的
热膨胀系数, 从而导致波谷位置的TC 层中的应力由压应力转变为拉应力 。这
种应力状态的转变将导致波谷位置的TC层中裂纹的产生。
EB2PVD TBCs 的失效机理：1 同APS TBCs 系统中的机理1一样 2
TGO/ TC 界面的开裂和随着TGO 的增厚TGO 向BC 层的渗入。3 由于
EB2PVD TBCs系统的TC/ BC 界面相对较平而且没有缺陷, 在TGO中压应力的
作用下将会产生TC 层大面积的鼓泡剥离。
纳米结构热障涂层，当陶瓷具备纳米结构时，脆性大大降低，涂层应力的释
放可以通过晶界滑动来实现。梯度结构热障涂层，包括成分连续、孔隙率连续及
多层结构变化3种。液体注入等离子体喷涂热障涂层，是一种很有前途的涂层制
备方法。特点：1)独特的显微结构2)纳米晶粒长大过程被抑制；3)有良好的抗热
震性能。
个人认为梯度结构热障涂层是非常有前景而且又非常实用的涂层，它既克服
了片状涂层的片层界面，又实现了成分和性能的连续过渡，而且还形成了孔隙率
梯度，它是具有双层和多层结构不具有的优点，所以梯度结构的热障涂层系统是
非常有潜力的。另外深入研究涂层的失效机理将是解决涂层失效问题的关键，也
是促进涂层发展的关键点，涂层的失效主要是TGO的生长所致，所以研究好它
的生长将对涂层失效的研究非常关键，另外，涂层寿命的预测是对涂层的使用和
热机的效率非常有用，开发更多的陶瓷涂层材料是涂层发展的关键。