高温防护涂层的分类及作用

高温合金一般要求必须同时具备两方面的性能要求，即优异的高温力学性能和抗高温腐蚀性能。但实际上对同一种合金，这两方面的性能之间有时是相互矛盾的，不可能同时达到最优化。要解决二者之间的矛盾，仅仅靠高温合金基体材料本身的工艺改进是不能满足现代航空航天飞机发展的性能要求的，必须通过高温防护涂层即在合金表面沉积合金涂层，及在合金涂层表面再施加氧化物陶瓷涂层来解决。通常涂层都较薄，主要起保护基体金属不受高温腐蚀的作用。而对高温强度的要求则主要由基体合金本身来承担。由于基体合金和防护涂层可以单独地设计，所以施加防护涂层的合金部件就可以既保持合金足够的高温强度而表面又具有优异的耐高温腐蚀性能。一般将高温涂层分为三种，即扩散涂层、覆盖涂层以及后来发展起来的热障涂层。

通过与基体接触并与其内的确定元素反应，从而改变了基体外层的涂层称为扩散涂层。这类涂层的典型代表是在镍基、钴基合金上热扩散渗铝，分别获得NiAl、CoAl涂层。扩散涂层制备技术是目前应用最广的一种高温防护涂层技术。它是基于在镍、钴、铁基合金表面经热扩散渗过程形成金属间化合物，从而提高涂层的附着力和基体合金的抗氧化性。最常见的扩散元素为铝、铬、硅等。以渗铝涂层为例，在镍、钴、铁基合金表面热扩散渗过程形成β - NiAl、β - CoAl、FeAl等金属间化合物，涂层与基体合金是冶金结合，这样不仅提高了涂层的附着力，而且这些金属间化合物在氧化过程中能够形成致密的膜，从而提高了基体的抗氧化性能。

扩散渗铝涂层已经在各种航空燃气轮机上大量使用。而对于陆用和船用涡轮机，只是在热腐蚀严重的部位如机翼和叶片上开始使用。且在降低腐蚀倾向的研究中，可以通过在扩散铝涂层中添加Cr和Pt来改善其抗硫酸盐的腐蚀性。

对碳化物晶界敏感的超耐热合金表面的扩散铝涂层能使其蠕变强度明显降低。Catell和Willett等人发现，锻造的Udimet520就存在着严重的蠕变强度下降，而且热处理对此也起不到改善作用，还称蠕变强度的下降与涂层扩散区附近的晶界处脱碳有关。在扩散区内，Cr、Mo、W的含量较高，通常以稳定的碳化物形式存在。有报道称，相似的现象在铸态多晶合金中也有发现。

对于低周疲劳开裂不是从晶界处开始的凝固合金和单晶超耐热合金，扩散铝涂层和其他涂层有希望不会导致低周疲劳和热疲劳性能下降。实际，在非镀覆涂层合金的实际使用过程中，也同样存在着严重的热腐蚀现象。

在美国，大批适用于工业和军用发动机上的现代涂层是应用在航天器辅助气体涡轮机上的CoCrAlY涂层。带有CoCrAlY(其中含有质量分数为15% ~20%Cr，12%Al)涂层的航空叶片，在金属温度达到800℃~1100℃时的使用寿命比带有扩散铝涂层的要长。但当金属温度达到700℃ ~ 750℃时，在低压气氛中运行的发动机还会发生严重的硫酸热腐蚀，这区别于高温下发生的Type I热腐蚀，被称为“低温”热腐蚀或Type II热腐蚀，在英国的发动机试验和钻探机试验中就明确了Type II热腐蚀的存在。

随着航空燃气轮机向高流量比、高推重比、高进口温度的方向发展，燃烧室中的燃气温度和压力不断提高。为适应这一恶劣的工作环境，发展了热障涂层。

热障涂层是由陶瓷隔热面层和金属粘结底层组成的涂层系统。热障涂层采用金属结合底层的目的是为改善陶瓷面层和基体合金的物理相容性能以及抗氧化保护基体的作用。粘结底层的厚度一般为0.1mm ~0.2mm，它的成分多为MCrAIY，因为MCrAIY具有良好的抗高温腐蚀性能。由于陶瓷层热导性差，在陶瓷层内形成温度梯度，这样就降低了基体表面的温度。陶瓷层厚度大约在0.1mm ~0.4mm范围。根据涂层结构及厚度的不同，有热障涂层比无热障涂层的基体表面的温度可降低50 ~ 170℃，这种热障涂层体系具有抗氧化与隔热作用，且有结构简单、耐热能力强等优点。

热障涂层的作用主要在于：①在导致冷却器件蠕变性能下降的同时，降低金属的温度，延长其使用寿命；②大大降低疲劳应变，延长其使用寿命；③降低发动机叶片冷却所需要的空气体积，从而提高其使用效果，延长其使用寿命。

继20世纪70年代出现的扩散铝涂层和CoCrAIY涂层之后，各种ZrO2基涂层开始出现，其中MCrAIY(M = Ni,NiCo)和ZrO2双层涂层表现出最佳的性能，而更加稳定的MgO、Y2O3也开始出现。尽管各种热障涂层纷纷出现，但其抗热腐蚀性能普遍较差。这是因为，腐蚀液硫酸盐中的SO3与涂层中的氧化物发生反应，生成了相应的硫酸盐，从而失去腐蚀抗力，如MgO - ZrO2。