热障涂层材料的应用原则

热障涂层一般用于1000℃以上高温环境中，以降低传入基体材料的热量，提高基材的使用温度。热障涂层材料目前应用最多的是氧化钇或氧化镁稳定的氧化锆。热喷涂制备方法一般采用常压等离子体喷涂。涂层中存在一定的孔隙度，以降低涂层的热导率，减少涂层中应力。热障涂层主要用于发动机燃烧室、热端部件、排气通道、气缸活塞柱头、喷嘴、冶金炉等。

由于纯ZrO2的相转变会带来体积变化，所以需要对ZrO2高温相进行稳定化。

最早用于制备TBCs的陶瓷材料为22% MgO完全稳定的ZrO2。在1400℃下涂层平衡组织为t相或m相。在热循环过程中，MgO会从固溶体中析出，使涂层的热导率提高，降低了涂层的性能。经过进一步的研究，改进为Y2O3 稳定的ZrO2涂层材料，成为现今广泛研究和普遍来用的重要TBCs 材料。它具有低热导、高热膨胀系数、1200℃下相稳定、抗腐蚀等综合性能。

Y2O3的含量对ZrO2热导率影响不大，但对于陶瓷层的热膨胀系数影响非营大。当Y2O3<6%时，在热循外过程中会发生伴有体积变化的t-m转变，导致涂层剥落，当Y2O3在7% -8%时涂层组织有良好的稳定性。

为了寻找适合更高温度的热障涂层材料，国内外的学者们在Y2O3部分稳定ZrO2的基础上，对ZrO2(Y2O3) + HfO2、ZrO2(Y2O3)+ CeO2、ZrO2(Y2O3)+Si等材料的性能进行了研究，也取得了很大的进展。例如，加入CeO2的ZrO2-CeO2-Y2O3组织由于几乎没有伴有体积变化的t-m转变，而具有比ZrO2-Y2O3更好的热循环性能；在合金粘结层处产生的热应力小；加入CeO2后的热膨胀系数比ZrO2-Y2O3的膨胀系数明显增大等三方面原因而使涂层的热震性能明显提高。

由于陶瓷材料的脆性大，与基体材料热膨胀系数不匹配等原因，通常在陶瓷基体间加入一粘结层以改善陶瓷与合金基体间的物理相容性、即一般的双层结构系统。其外层为厚度约0.25mm的陶瓷层，下层为厚度约0.1mm的金属结合层。金属结合层起到抗氧化腐蚀和使陶瓷层与基体紧密结合的作用。目前，结合层材料普遍采用MCrAIY合金，可显著提高涂层的抗氧化能力；陶瓷层则为7% Y203部分稳定的ZrO2 (YPSZ)， 这种热障涂层系统具有良好的抗氧化隔热作用，结构简单，耐热性好。